Đang tải... (xem toàn văn)
Trong thực tế sản xuất gia công chế tạo cũng như để tạo ra sản phẩm cho mọi nghành nghề. Như ta đã biết để tạo ra mỗi sản phẩm, mỗi chi tiết đều phải qua nhiều công đoạn mà trong mỗi công đoạn lại có những tốc độ phù hợp để có năng suất và chất lượng sản phẩm thực sự tốt. Chính vì vậy mà việc đo và điều chỉnh tốc độ của động cơ điện là một yếu tố rất quan trọng trong phương thức sản xuất dây chuyền.
CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 1.1 Khái qt chung mơ hình đo điều khiển tốc độ động Trong thực tế sản xuất gia công chế tạo để tạo sản phẩm cho nghành nghề Như ta biết để tạo sản phẩm, chi tiết phải qua nhiều công đoạn mà công đoạn lại có tốc độ phù hợp để có suất chất lượng sản phẩm thực tốt Chính mà việc đo điều chỉnh tốc độ động điện yếu tố quan trọng phương thức sản xuất dây chuyền Dưới sơ đồ khối hệ thống đo điều chỉnh tốc độ động thơng dụng: Hình 1.1: Cấu trúc hệ đo điều chỉnh tốc độ động - Máy tính : Trung tâm điều phối , thực công việc xử lý liệu điều khiển mức cao với chế độ thời gian thực mềm, cung cấp giao diện người dùng trực quan để giám sát hệ thống - PLC ( Programable Logic Controller ) : Là thiết bị điều khiển logic lập trình , PLC hân thơng tin từ cảm biến xử lý thơng tin theo thuật toán định đồng thời truyền đạt lại kết xuống cấu chấp hành PLC cung cấp thông tin đến trung tâm điều phối - Biến tần: Thiết bị điều khiển ổn định tốc độ động - Cảm biến đo tốc độ : Thiết bị sử dụng để đo tốc độ , gắn vào trục động Cảm biến có đầu dạng điện áp xung tần số điện áp 1.2 Một số phương pháp đo tốc độ động Tốc độ đơng có thứ ngun số vịng / phút đại lượng vật lý khơng mang đặc trúng đại lượng điện để đo tốc độ quay động nói chung động điện nói riêng người ta phải biến đổi đại lượng khác để phù hợp tiện lợi đồng thời đáp ứng độ xác theo u cầu cơng việc Trong q khứ việc ứng dụng học quang học giúp ích cho kỹ thuật đo lường Với tốc độ phát triển ngày hoàn thiện ngành điện kể lý thuyết công nghệ cao kỹ thuật điện tử, điện tử góp sức nhiều phát triển cho thiết bị đo lường Các đại lượng điện không điện cảm biến đo lường chuyển đổi sang dạng tín hiệu chuẩn Các tín hiệu mạch điện tử chế biến cho phù hợp với mạch đo đưa đến phận xử lý để tính tốn, đưa kết Trước xét hệ thống đo lường điện tử ta đề cập đến tốc độ kế đơn giản 1.2.1 Tốc độ kế cầm tay Tốc độ kế cầm tay sử dụng để đo tốc độ khơng u cầu độ xác cao, có nguyên lý hoạt động dựa tượng cảm ứng điện từ, có cấu tạo đơn giản dễ sử dụng Hình 1.2: Cấu tạo tốc độ kế cầm tay Cấu tạo: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo thiết bị đo tốc độ vòng quay loại đơn giản bao gồm: 1- Nam châm vĩnh cửu quay trơn tự nối với trục động cần kiểm 2345- tra qua trục dẫn mềm đầu tỳ kiểu tu Đĩa nhơm Kim thị Lị xo cản Trục gá ổ đỡ quay trơn trượt phần tử 2,3,4,5 gắn chặt với Nguyên lý hoạt động: Khi nam châm vĩnh cửu (1) quay làm cho từ trường mà tạo quay theo quét lên đĩa nhôm (2) đĩa nhơm (2) có từ trường biến đổi Tốc độ quay từ trường tốc độ mà nam châm (1) quay tốc độ quay đại lượng cần kiểm tra Trên đĩa nhôm (2) xuất dòng cảm ứng dòng điện tác dụng với từ trường nam châm (1) tạo momem điện từ Momen làm cho đĩa nhôm (2) quay theo chiều quay nam châm (1) Độ lớn momem hoàn toàn tỷ lệ với tốc độ quay nam châm (1) Khi đĩa nhôm quay làm trục quay (5) quay theo Khi trục quay (5) quay làm kim thị quay theo Trên khắc độ báo chia theo cho phù hợp với giá trị tốc độ động Khi trục (5) quay đồng thời làm cho lị xo (4) quay theo nên tạo momem cản: Độ lớn momen cản tỷ lệ với góc xoay trục (5) cịn chiều momen cản có chiều ngược với chiều momen điện từ đĩa nhôm (2) tạo Vậy đĩa nhơm dừng vị trí mà = Nhận xét : Ưu điểm: - Cấu tạo đơn giản , gọn nhẹ , chủ yếu khí Khơng tiêu hao lượng Kết cấu chắn, độ tin cậy cao Nhược điểm: - Cấp xác thấp Khơng lấy tín hiệu để khống chế điều khiển Phạm vi ứng dụng : - Vì thiết bị khơng tiêu hao lượng nên tiện lợi dùng để kiểm tra tốc độ thiết bị : ô tô , xe máy để tốc độ xe chạy báo 1.2.2 tốc độ quay máy Mặt khác người ta chế tạo cách hợp lý kết cấu để làm tốc độ kế để kiểm tra tốc độ quay thiết bị đơn lẻ Máy phát tốc chiều Máy phát tốc chiều ứng dụng để đo tốc độ động cơ, vào thời kì đầu cách mạng cơng nghiệp hóa sử dụng phổ biến Sau sâu vào cấu tạo nguyên lý hoạt động máy phát tốc chiều : Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo máy phát tốc chiều Cấu tạo: Máy phát tốc chiều có cấu tạo giống với máy điện chiều khác phần kích từ nam châm vĩnh cửu: 1- Stato ( Phần cảm ) : Là môt nam châm điện nam châm vĩnh cửu 2- Rota ( Phần ững ) : Là trục sắt gồm nhiều lớp ghép lại; bề mặt Roto xẻ rãnh song song với trục quay cách Trong rãnh đặt dây đồng gọi dây , dây nối với đôi dây phụ 3- Cổ góp: Là hình trụ mặt có gắp đồng cách điện với nhau, nối với dây roto 4- Chổi quét: Hai chổi qt ép sát vào cổ góp bố trí cho thời điểm chúng tiếp xúc với hai đồng đối diện Nguyên lý hoạt động: Máy phát tốc chiều có nguyên lý hoạt động dựa tượng cảm ứng điện từ Khi có chuyển động tương đối phần cảm phần ứng, từ thông qua phần ứng biến thiên xuất suất điện động cảm ứng Suất điện động tỉ lệ với vận tốc cần đo Nhận xét Đo tốc độ động sử dụng máy phát tốc chiều nhược điểm độ xác thấp, lại đòi hỏi kèm theo chuyển đổi tương tự - số hóa tín hiệu đo nên phương pháp không ưa dùng Hiện phương pháp dần vào dĩ vãng, thay vào đếm tốc độ kế mã hóa vịng quay: Encoder 1.2.3 Bộ mã hóa vịng quay Encoder Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc đĩa quay, đĩa quay bánh xe, trục động cơ,hoặc thiết bị quay cần xác định vị trí góc Encoder chia làm loại: absolue encoder ( encoder tuyệt đối ) incremental ( encoder tương đối ) Đối với loại encoder tuyệt đối tín hiệu ta nhận được, rõ vị trí encoder, khơng cần xử lý thêm biết xác vị trí encoder Cịn encoder tương đối loại có 1,2 vùng lỗ Ta hình dung này, ta đục thêm lỗ đĩa quay lần quay vịng nhận tín hiệu ta biết đĩa quay vòng Nếu đĩa có nhiều lỗ ta có thống tin chi tiết hơn, có nghĩa đĩa quay ¼ vịng , 1/8 vịng hay 1/n vòng tùy theo số lỗ nằm encoder Cấu tạo : Hình 1.4 Cấu tạo Encoder Encoder gồm thành phần : Đĩa khắc mã vạch : Là đĩa tròn thường làm nhơm đia có rãnh nhỏ Bộ thu phát hồng ngoại :Là cặp LED thu phát hồng ngồi đặt đối xứng qua đĩa quay, có tác dụng tạo xung đĩa quay Bộ giải mã : Là mạch điện tử có vai trị tiếp nhận xung điện từ từ LED thu hồng mã hó thành dạng xung chuẩn đầu Nguyên lý hoạt động : Nguyên lý Encoder đĩa trịn xoay, quay quanh trục, đĩa có lỗ Người ta dùng đèn LED để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗ lỗ ( rãnh ) đèn led khơng chiếu xun qua được, chỗ có lỗ ( rãnh ) đèn led chiếu xun qua Khi , phía mặt bên đĩa, người ta đặt mắt thu Với tín hiệu có, khơng có ánh sáng chiếu qua, giả sử đĩa có lỗ nhất, lần mắt thu nhận tín hiệu đèn led, có nghĩa đĩa quay vòng Tuy nhiên, vấn đề đặt , để xác định xác vị trí đĩa quay ( mịn hợn ) làm để xác định đĩa quay theo chiều ? Đó vấn đề để tìm hiểu hai loại Encoder tương đối tuyệt đối Encoder tuyệt đối : Vấn đề quan tâm độ mịn encoder, có nghĩa làm no bit a ó quay ẵ vũng, ẳ vũng, 1/8 vịng hay 1/n vịng, khơng phải biết đĩa quay vịng Quay lại tốn bit số bit Chúng ta xem xét vấn đề theo cách hồn tồn tốn học sau : Với số nhị phân có chữ số, có 00,01,10,11, tức có trạng thái Điều có nghĩa với chữ số, chia đĩa encoder thành phần Và quay, xác định độ xác đến ¼ vịng Tương tự với số có n chữ số, xác định độ xác đến 1/ vịng Để rõ ta xét hình sau : Hình 1.5 Đĩa Encoder có vịng Encoder có vịng đĩa Ở hình ta thấy vịng cùng, có rãnh rộng ½ đĩa Vịng phía ngồi có rãnh nằm đối diện Như cần LED hồng ngoại để phát xuyên qua hai lỗ hai LED thu Giả sử vòng lỗ thử nhất, đèn đọc nằm hai vị trí có lỗ hở tín hiệu nhận từ LED thu Và vịng lỗ thứ hai, vị trí khơng có lỗ, mắt thu vòng đọc giá trị Như vây với đĩa có 10 vịng , xác định encoder nằm góc phần tư nào, có nghĩa quản lý độ xác đĩa quay đến ¼ vịng Trong ví dụ trên, đèn LED đọc 10 vị trí LED phải nằm góc phần tư thứ 2, phía bên trái Kết quả, đĩa Encoder có đến 10 vịng lỗ quản lý đến 1/(2^10) tức đến 1/1024 vòng Hay người ta nói độ phân giải encoder 1024 xung vòng Encoder tương đối: Nhận thấy điều rằng, encoder tuyệt đối có lợi trường hợp góc quay nhỏ, động khơng quay nhiều vịng Khi đó, việc xử lý ecoder tuyệt đối trở nên dễ dàng cho người dùng cần đọc giá trị biết vị trí góc trục quay Tuy nhiên, động quay nhanh nhiều vòng, điều khơng có lợi phải xử lý để đếm số vịng quay trục Ngồi ra, thiết kế encoder tuyệt đối chúng cần q nhiều vịng lỗ, dẫn tới giới hạn kích thước encoder, việc gia cơng xác lỗ nhỏ thực Chưa kể việc thiết kế dãy LED thu phát ảnh hưởng lớn đến kích thước Hoạt động encoder tương đôi cách tăng lên đơn vị lần xuất cạnh lên xung Hình 1.6 : Encoder tương đối Ta thấy lần quay qua lỗ, encoder tăng đơn vị biến đếm Tuy nhiên, vấn đề để biết encoder quay hết vịng Nếu đếm vơ hạn khơng thể biết quay hết vòng Để giải vấn đề này, ta đưa thêm lỗ định vị để đếm số vòng quay encoder Như vậy, cho dù có lệch xung mà thấy encoder ngang qua lỗ định vị biết encoder bị đếm sai đâu Nếu rung động mà khơng thấy encoder qua lỗ định vị, từ số xung, việc qua lỗ định vị, biết rõ tượng sai encoder Hình 1.7 : Encoder có lỗ định vị Tuy nhiên, vấn đề lớn xác định chiều quay encoder Bởi cho dù quay theo chiều tín hiệu encoder xung đơn lẻ quay theo hai chiều giống Chính người ta đặt thêm vòng lỗ hình sau: Hình 1.8: Encoder có vịng lỗ đặt lệch Nhận xét Bộ mã hóa vịng quay Encoder có nhiều ưu điểm vượt trội nhiều so vơi loại tốc độ kế khác Ví dụ như: - Đầu dạng xung nên hệ thống điều khiển số không cần chuyển đổi ADC - Dễ dàng lắp đặt sử dụng, dễ đọc tín hiệu - Giữ giá trị góc điện encoder tuyệt đối… Vì encoder sử dụng rộng dãi nhà máy, xí nghiệp phục vụ sản xuất 1.3 Tổng kết chương Ở chương 1, nhóm thực liệt kê phân tích số phương pháp đo tốc độ thường ứng dụng thực tế Có nhiều cách để đo tốc độ, qua tìm hiểu phân tích ta thấy phương pháp đo tốc độ động sử dụng mã hóa vịng quay encoder có nhiều ưu điểm, phù hợp với ứng dụng đồi hỏi có độ xác cao Ở chương ta sâu vào tìm hiểu thiết bị cần thiết để tạo hệ đo điều khiển tốc độ động cơ, đồng thời thiết kế phần mềm điều khiển đo lường cho hệ thống CHƯƠNG : THIẾT KẾ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐO LƯỜNG CHO HỆ THỐNG 2.1 Giới thiệu PLC Simatic s7-1200 2.1.1 Tổng quan PLC S7-1200 PLC ( Programmable Logic Controller ) thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực linh hoạt thực tốn điều khiển logic thơng qua ngơn ngữ lập trình Người sử dụng lập trình để thực loạt trình tự kiện Các kiện kích hoạt tác nhân kích thích tác động vào PLC qua hoạt động có trễ thời gian định kì hay thời gian đếm Một kiện kích hoạt thật sự, bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên gọi thiết bị vật lý Một điều khiển lập trình liên tục lặp chương trình người sử dụng lập chờ tín hiệu ngõ vào xuất tín hiệu ngõ thời điểm lập trình Để khắc phục nhược điểm điều khiển dung dây nối, người ta chế tao điều khiển plc nhẳm thoả mãn yêu cẩu sau: + Lập trình dễ dàng, ngơn ngữ lập trình dễ học + Gọn nhẹ, dễ bảo quản, sửa chữa 10 + Dung lượng nhớ lớn để chứa chương trình phức tạp + Hồn tồn tin cậy môi trường công nghiệp + Giao tiếp với thiết bị thơng minh khác máy tính, nối mạng, module mở rộng Các thiết kế nhằm thay cho phần cứng Relay dây nối logic thời gian Tuy nhiên bên canh việc địi hỏi tăng cường dung lượng nhớ tính dễ dàng cho PLC mà đảm bảo tốc độ xử lí giá cả… Chính điều tạo quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC công nghiệp, tập lệnh nhanh chống từ lệnh logic đơn giản đến lệnh đếm, định thời, ghi dịch…Sự phát triển máy tính dẫn đến PLC có dung lượng lớn, số lượng I/O nhiều Trong PLC phần cứng CPU chương trình đơn vị cho q trình điều khiển sử lí hệ thống, chức mà điều khiển cần thực xác định chương trình Chương trình nạp sẵn vào nhớ PLC, PLC thực việc điều khiển dựa vào chương trình Như muốn thay đổi hay mở rộng chức cửa quy trình cơng nghệ Ta cần thay đổi chương trình bên nhớ PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức thực cách dễ dàng mà không cần can thiệp vật lí so với dây nối hay Relay Năm 2009, Siemens dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay dần cho S7-200 So với S7-200 S7-1200 có tính trội: 11 -S7-1200 dịng điều khiển logic lập trình (PLC) kiểm sốt nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, tập lệnh mạnh làm cho có giải pháp hoàn hảo cho ứng dụng sử dụng với S7-1200 -S7-1200 bao gồm microprocessor, nguồn cung cấp tích hợp sẵn, đầu vào/ra (DI/DO) -Một số tính bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào CPU chương trình điều khiển: +Tất CPU cung cấp bảo vệ password chống truy cập vào PLC +Tính “know-how protection” để bảo vệ block đặc biệt -S7-1200 cung cấp cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet TCP/IP Ngoài bạn dùng module truyền thong mở rộng kết nối RS485 RS232 -Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 Step7 Basic Step7 Basic hỗ trợ ba ngơn ngữ lập trình FBD, LAD SCL Phần mềm tích hợp TIA Portal 11 Siemens -Vậy để làm dự án với S7-1200 cần cài TIA Portal phần mềm bao gồm mơi trường lập trình cho PLC thiết kế giao diện HMI 2.1.2 Phân loại Việc phân loại s7-1200 dựa vào loại CPU mà trang bị: Các loại PLC thông dụng: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C Thông thường s7-1200 chia làm loại chính: • Loại cấp điện 220VAC: - Ngõ vào: Kích hoạt mức cấp điện áp +24VDC ( từ 15VDC – 30VDC ) - Ngõ : Relay - Ưu điểm loại dùng ngõ Relay Do sử dụng ngõ nhiều cấp điện áp khác ( sử dụng ngõ 0V,24V,220V ) - Nhược điểm: Ngõ Relay nên thời gian đáp ứng không nhanh cho ứng dụng biến điệu độ rộng xung, Output tốc độ cao • Loại cấp điện áp 24VDC: - Ngõ vào : Kích hoạt mức cấp điện áp + 24VDC ( từ 15VDC- 30VDC ) - Ngõ ra: Transistor - Ưu điểm: sử dụng ngõ để biến điệu độ rộng xung, Output tốc độ cao - Nhược điểm: Chỉ sử dụng cấp điện áp 24VDC 12 2.1.3 Hình dạng bên ngồi Hình 2.1 : Hình dạng bên PLC S7-1200 ( CPU 1212C ) 2.1.4 Cấu trúc bên Cũng giống PLC họ khác, PLC S7-1200 gồm phận : Bộ xử lý , nhớ , nguồn , giao tiếp nhập / xuất Bộ xử lý gọi xử lý trung tâm ( CPU ), chứa xử lý , biên dịch tín hiệu nhập thực hoạt động điều khiển theo chương trình lưu nhớ PLC Truyền định dạng tín hiệu hoạt động đến thiết bị xuất - Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển điện áp AC thành điện áp DC ( 24V ) cần thiết cho xử lý mạch điện module giao tiếp nhập xuất hoạt động - Bộ nhớ nơi lưu trữ chương trình sử dụng cho hoạt động điều khiển kiếm soát vi xử lý - Các thành phần nhập xuất ( input/output ) nơi nhớ nhận thông tin từ thiết bị ngoại vi truyền thơng tin đến thiết bị điều khiển.Tín hiệu nhập từ cơng tắc, cảm biến…Các thiết bị xuất 13 - cuộn dây công tắc, cảm biến…Các thiết bị xuất cuộn dây khởi động động cơ, van Chương trình điều khiển nạp vào nhớ nhờ trợ giúp lập trình hay máy vi tính Hình 2.2 : Cấu trúc bên S7-1200 2.1.5 Sơ đồ đấu dây Hình 2.3: Sơ đồ đấu dây ( CPU 1214 ) 14 Nguồn cung cấp cho PLC 100 – 230 VAC với tần số từ 47Hz – 63Hz Điện áp thay đổi khoảng từ 85V – 264V Ở 264V dòng điện tiêu thụ 20A Nguồn cung cấp 24VDC Điện áp thay đổi khoảng 20.4V – 28.8V dòng điện tiêu thụ 12A Các ngõ vào tác động mức điện tiêu biểu 24VDC Các ngõ PLC mức công tắc hở hay điên áp 15VDC Thời gian đổi trạng thái từ ‘0’ len ‘1’ từ ‘1’ xuống ‘0’ tối thiêu 0.1us để PLC nhận biết Các ngõ 5VDC – 30 VDC hay VAC – 250 VAC Tùy theo yêu cầu thực tế mà ta nối nguồn khác để phù hợp với ứng dụng 2.1.6 Module mở rộng Hình 2.4 : Hình ảnh module mở rộng Họ PLC S7-1200 cung cấp nhiều module tín hiêu đa dạng mạch tín hiệu cho xử lý có khả mở rộng Ngồi bạn cài đặt thêm module giao tiếp nhờ vào giao thức truyền thơng 15 Hình 2.5 : Bảng thơng số module 2.1.7 Nguyên lý hoạt động PLC CPU điều khiển hoạt động bên PLC Bộ xử lý đọc kiểm tra chương trình chứa nhớ, sau thực lệnh chương trình, đóng hay ngắt đầu Các trạng thái ngõ phát tới thiết bị liên kết để thực thi toàn hoat động thực thi phụ thuộc vào chương trình điều khiển giữ nhớ Hệ thống bus tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song: + Address bus:bus địa dùng để truyền địa tới module khác + Data bus:bus dùng để truyền liệu + Control bus:bus điều khiển dung để truyen tín hiệu định điều khiển đồng hoạt động PLC Hệ thống Bus làm nhiệm vụ trao đổi thông tin CPU, nhớ I/O Bên cạnh CPU cung cấp xung clock có tần số từ 1, Mhz 16 Xung định tốc độ hoạt động PLC cung cấp yếu tố định thời, đồng hồ hệ thống 17 ...- Cảm biến đo tốc độ : Thiết bị sử dụng để đo tốc độ , gắn vào trục động Cảm biến có đầu dạng điện áp xung tần số điện áp 1.2 Một số phương pháp đo tốc độ động Tốc độ đông có thứ ngun... điện động cảm ứng Suất điện động tỉ lệ với vận tốc cần đo Nhận xét Đo tốc độ động sử dụng máy phát tốc chiều nhược điểm độ xác thấp, lại địi hỏi kèm theo chuyển đổi tương tự - số hóa tín hiệu đo. .. có độ xác cao Ở chương ta sâu vào tìm hiểu thiết bị cần thiết để tạo hệ đo điều khiển tốc độ động cơ, đồng thời thiết kế phần mềm điều khiển đo lường cho hệ thống CHƯƠNG : THIẾT KẾ PHẦN MỀM ĐIỀU