Nghiên cứu ứng dụng plc điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ trong công nghệ căn bằng định lượng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN QUANG HUY “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PLC ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ TRONG CÔNG NGHỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG” LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Thái Nguyên – 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN QUANG HUY “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PLC ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ TRONG CÔNG NGHỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG” Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT PHÒNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS ĐỖ TRUNG HẢI Thái Nguyên – 2014 -i- LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Quang Huy Sinh ngày: 27 tháng 10 năm 1978 Học viên lớp cao học khoá 14 - Tự động hoá - Trường Đại học Kỹ Thuật Công nghiệp Thái Nguyên - Đại Học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Công ty TNHH MTV Cơ điện & Vật liệu nổ 31 - Phổ Yên – Thái Nguyên Tôi xin cam đoan cơng trình kết nghiên cứu luận văn hoàn toàn trung thực, chưa sử dụng để bảo vệ cơng trình Các thơng tin, tài liệu phục vụ cho luận văn ghi rõ nguồn gốc Thái Nguyên, ngày tháng Tác giả luận văn Nguyễn Quang Huy năm 2014 - ii - LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập thực đề tài, nhận quan tâm, giúp đỡ lớn Nhà trường, Khoa, Phòng chức năng, giảng viên Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên đồng nghiệp Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến Tiến sĩ Đỗ Trung Hải tận tình hướng dẫn suốt thời gian thực luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn đến thầy, cô giáo khoa Điện Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên giúp đỡ tạo điều kiện để tác giả hồn thành mơ hình thực nghiệm điều kiện tốt Mặc dù tác giả cố gắng, thời gian nghiên cứu có hạn nên luận văn khơng tránh khỏi sai sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy cô giáo đồng nghiệp để luận văn tác giả hồn thiện có ý nghĩa ứng dụng thiết thực thực tế Xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng Tác giả Nguyễn Quang Huy năm 2014 - iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT KĐB: Không đồng SFT : Smat Foree Tran Sduer BT : Biến tần ĐC : Động truyền động GT : Bộ phận giảm tốc, truyền chuyển động quay động thành chuyển động tịnh tiến băng tải BgT : Băng tải PLC : Programmable logic controller - iv MỤC LUC MỞ ĐẦU x Tính cấp thiết đề tài x Mục tiêu nghiên cứu x Dự kiến kết đạt x Phương pháp phương pháp luận xi Cấu trúc luận văn .xi Kết luận kiến nghị .xi CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG 1.1 Lý thuyết chung hệ thống cân băng định lượng 1.1.1 Đặt vấn đề 1.1.2 Khái niệm 1.1.3 Cấu tạo cân băng định lượng 1.1.4 Nguyên lý tính lưu lượng cân băng định lượng 1.1.4.1 Nguyên lý tính lưu lượng 1.1.4.2 Đo trọng lượng liệu băng tải 1.1.5 Khái quát điều chỉnh cấp liệu cho cân băng 1.2 Cấu trúc hệ thống cân băng 1.3 Hệ điều chỉnh tốc độ động không đồng dùng biến tần 1.3.1 Động không đồng 1.3.1.1 Khái quát động không đồng 1.3.1.2 Cơng thức tính chọn động không đồng 1.3.2 Khái quát biến tần 10 1.3.2.1 Định nghĩa 10 1.3.2.2 Nguyên lý hoạt động biến tần 11 1.3.2.3 Ưu điểm sử dụng biến tần 12 1.3.3 Điều chỉnh tần số động biến tần 12 1.4 Cảm biến trọng lực Loadcell 14 1.4.1 Khái niệm Loadcell 14 1.4.2 Tế bào cân đo trọng lượng 14 1.4.2.1 Nguyên lý tế bào cân số SFT .14 1.4.2.2 Nguyên lý tế bào cân Tenzomet 15 1.4.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 16 1.4.3.1 Cấu tạo 16 -v1.4.3.2 Nguyên lý hoạt động 17 1.4.3.3 Thông số kĩ thuật 17 1.4.3.4 Cơng thức tính khối lượng LoadCell .18 1.5 Băng tải cao su 19 1.6 Sensor đo tốc độ 21 1.6.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động: 21 1.6.2 Đo vận tốc băng tải .22 1.7 Đo khối lượng liệu băng 23 1.8 Kết luận chương 24 CHƯƠNG TỔNG HỢP HỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG 25 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống cân băng định lượng 25 2.2 Nhận dạng mơ hình toán học đối tượng .27 2.2.1 Thu thập liệu vào/ra đối tượng 27 2.3 Xác định điều khiển 31 2.3.1 Bài toán (Xác định luật điều khiển) 31 2.3.2 Bài toán (Lựa chọn thiết bị thực luật điều khiển) 33 2.4 PLC S7-200 34 2.4.1 Giới thiệu chung họ PLC S7- 200 34 2.4.3 Modul mở rộng tương tự EM235 .36 2.5 Kết luận chương 38 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM HỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG 39 3.1 Các thiết bị thực nghiệm 39 3.1.1 Động .39 3.1.2 Biến tần .39 3.1.3 Loadcell 40 3.1.4 Thiết bị đo vận tốc băng tải 42 3.1.5 PLC S7 200 (thiết bị thực luật điều khiển) 42 3.1.6 Băng tải .43 3.1.7 Bảng điều khiển 43 3.1.7 Mơ hình thực nghiệm hệ thống cân băng định lượng 44 3.2 Thực nghiệm 44 3.2.1 Cấu trúc thực nghiệm 44 3.2.2 Kết thực nghiệm 44 3.2.2.1 Đáp ứng hệ với tín hiệu đầu vào hàm bước nhảy 44 3.2.2.2 Đáp ứng hệ với tín hiệu đầu vào dạng bậc thang 47 - vi 3.2.2.3 Đáp ứng hệ nguyên liệu băng không đồng (nhiễu tác động) 48 3.2.2.4 Đánh giá kết thực nghiệm .50 3.3 Kết luận chương 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .51 Kết luận .51 Kiến nghị 51 Tiếng Việt 52 Tiếng Anh 52 - vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Sơ đồ cấu tạo cân băng định lượng Hình Định lượng gián đoạn Hình Định lượng liên tục Hình Cấu trúc hệ thống cân băng định lượng Hình Đặc tính thay đổi tần số động khơng đồng Hình Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động Hình Biến tần 10 Hình Nguyên lý hoạt động biến tần 11 Hình Sơ đồ mạch lực biến tần nguồn áp dùng Tranzitor 13 Hình 10 Giản đồ điện điện áp pha A dùng phương pháp PWM 13 Hình 11 Sơ đồ tế bào cân số SFT 14 Hình 12 Sơ đồ cầu tế bào cân Tezomet .15 Hình 13 Cấu tạo Loadcell 17 Hình 14 Nguyên lý hoạt động Loadcell .17 Hình 15 Cấu trúc cầu cân mô men lực .18 Hình 16 Băng tải cao su 20 Hình 17 Encoder quang tương đối 21 Hình 18 Mạch đo tín hiệu tốc độ .23 Hình 19 Mạch đo khối lượng .23 Hình Cấu trúc hệ thống cân băng định lượng 25 Hình 2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống cân băng định lượng 25 Hình Sơ đồ cấu trúc hệ 26 Hình Sơ đồ thu thập liệu nhận dạng 27 Hình Dữ liệu tín hiệu điều khiển (volt) 27 Hình Dữ liệu tín hiệu vận tốc dài băng tải (m/h) 28 Hình Giao diện cơng cụ nhận dạng mơ hình 28 Hình Nhập liệu nhận dạng mơ hình 29 Hình Nhận dạng mơ hình .29 Hình 10 Giao diện kết nhận dạng .30 Hình 11 Đánh giá kết nhận dạng mơ hình 30 Hình 12 Đặc tính q độ đối tượng 31 - viii Hình 13 Cấu trúc điều khiển hệ thống .32 Hình 14 Cấu trúc điều khiển hệ thống (m số) 32 Hình 15 PLC S7 200 34 Hình 16 Các thành phần CPU S7-200 .35 Hình 17 Giao tiếp Modbus PLC S7-200 36 Hình 18 Modul mở rộng tương tự EM235 .37 Hình Động truyền động kéo băng tải 39 Hình Biến tần Commander SE .40 Hình 3 Loadcell PT1000 gắn băng tải .41 Hình Modul mở rộng EM235 41 Hình Encoder gắn tang bị động 42 Hình Thiết bị thực luận điều khiển - CPU226 42 Hình Băng tải liệu 43 Hình Bảng điều khiển .43 Hình Mơ hình thực nghiệm hệ thống cân băng định lượng 44 Hình 10 Đáp ứng lưu lượng hệ với tín hiệu đặt dạng hàm bước nhảy .45 Hình 11 Đáp ứng vận tốc dài băng tải với tín hiệu đặt dạng hàm bước nhảy 46 Hình 12 Tín hiệu khối lượng băng tải tín hiệu đặt dạng hàm bước nhảy 46 Hình 13 Đáp ứng lưu lượng hệ với tín hiệu đặt thay đổi 47 Hình 14 Đáp ứng vận tốc dài băng tải với tín hiệu đặt thay đổi .47 Hình 15 Tín hiệu khối lượng băng tải tín hiệu đặt thay đổi .48 Hình 16 Đáp ứng lưu lượng hệ nguyên liệu băng khơng đồng 48 Hình 17 Đáp ứng vận tốc dài băng tải nguyên liệu băng khơng đồng .49 Hình 18 Tín hiệu khối lượng băng tải nguyên liệu băng không đồng 49 - 38 Bảng Bảng cầu hình đầu vào modul EM23M Dải đầu vào không đối xứng Dải đầu vào Độ phân giải ON 0–50mV 12.5uV OFF ON 0-100mV 25uV OFF ON ON 0-500mV 125uV OFF OFF ON ON 0-1V 250uV OFF OFF OFF OFF ON 0-5V 1.25mV ON OFF OFF OFF OFF ON 0-20mA 5uA OFF ON OFF OFF OFF ON 0-10V 2.5mV Dải đầu vào Độ phân giải SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 ON OFF OFF ON OFF OFF ON OFF ON ON OFF OFF OFF ON ON Dải đầu vào đối xứng SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 ON OFF OFF ON OFF OFF ±25mV 12.5uV OFF ON OFF ON OFF OFF ±50mV 25uV OFF OFF ON ON OFF OFF ±100mV 50uV ON OFF OFF OFF ON OFF ±250mV 125uV OFF ON OFF OFF ON OFF ±500mV 250uV OFF OFF ON OFF ON OFF ±1V 500uV ON OFF OFF OFF OFF OFF ±2.5V 1.25mV OFF ON OFF OFF OFF OFF ±5V 2.5mV OFF OFF ON OFF OFF OFF ±10V 5mV Tín hiệu đầu ra: VO 0÷10V, IO 0÷20mA Nguồn ni: 24VDC 2.5 Kết luận chương Chương trình bày việc nhận dạng mơ hình tốn học hệ thống cân băng định lượng tổng hợp điều chỉnh lưu lượng cho hệ Luật điều khiển lưu lượng xác định theo phương pháp modul tối ưu Để thực luật điều khiển tác giả chọn sử dụng PLC S7 200 - 39 - CHƯƠNG THỰC NGHIỆM HỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG 3.1 Các thiết bị thực nghiệm 3.1.1 Động Động truyền động điện cho băng tải động xoay chiều rơto lồng sóc hãng Toshiba Corporation chế tạo sản xuất Thông số kỹ thuật động cơ: Mã hiệu: M14234 Điện áp: 200 200 220 V Dòng điện: 0.68 0.62 0.62 A Tần số: 50 60 60 Hz Tốc độ quay: 1410 1700 1700 v/ph Công suất: 0.1 Số đơi cực: kW Hình Động truyền động kéo băng tải 3.1.2 Biến tần Biến tần cấp điện cho động biến tần Commander SE hãng Control Techniques sản xuất Thông số kỹ thuật biến tần: - 40 Điện áp vào: 200 – 240 VAC pha Điện áp ra: 240 VAC pha Cơng suất 0.75 kW Hình Biến tần Commander SE 3.1.3 Loadcell Để đo khối lượng nguyên liệu băng, tác giả sử dụng cảm biến loadcell mã hiệu PT1000 hãng PT sản xuất Thông số kỹ thuật PT1000: Vật lieu: Hợp kim nhôm Tải trọng: kg Điện áp ngõ ra: mV/V± 10% Nguồn nuôi: ~ 12 V AC/DC Nguồn nuôi tối đa: 15V AC/DC Quá tải an toàn : 150% Quá tải tối đa: 300% Trở kháng đầu vào: 425Ω ± 15Ω - 41 Trở kháng đầu ra: 350Ω ± 3Ω Trở kháng cách điện: > 5000 MW 100V DC Hình 3 Loadcell PT1000 gắn băng tải Tín hiệu loadcell đưa vào modul mở rộng tương tự EM235 PLC S7-200 Hình Modul mở rộng EM235 - 42 - 3.1.4 Thiết bị đo vận tốc băng tải Hình Encoder gắn tang bị động 3.1.5 PLC S7 200 (thiết bị thực luật điều khiển) Hình Thiết bị thực luận điều khiển - CPU226 - 43 - 3.1.6 Băng tải Hình Băng tải liệu 3.1.7 Bảng điều khiển Hình Bảng điều khiển - 44 - 3.1.7 Mơ hình thực nghiệm hệ thống cân băng định lượng Hình Mơ hình thực nghiệm hệ thống cân băng định lượng 3.2 Thực nghiệm 3.2.1 Cấu trúc thực nghiệm - Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng hình vẽ - Tham số điều khiển lưu lượng theo quy luật 3.2.2 Kết thực nghiệm 3.2.2.1 Đáp ứng hệ với tín hiệu đầu vào hàm bước nhảy - Tín hiệu lưu lượng đặt dạng bước nhảy: Qđ = 100 kg/h - 45 - - Đáp ứng lưu lượng hệ: Hình 10 Đáp ứng lưu lượng hệ với tín hiệu đặt dạng hàm bước nhảy - 46 - - Đáp ứng vận tốc dài băng tải: Hình 11 Đáp ứng vận tốc dài băng tải với tín hiệu đặt dạng hàm bước nhảy - Tín hiệu khối lượng băng tải: Hình 12 Tín hiệu khối lượng băng tải tín hiệu đặt dạng hàm bước nhảy - 47 - 3.2.2.2 Đáp ứng hệ với tín hiệu đầu vào dạng bậc thang - Tín hiệu lưu lượng đặt: Qđ = {100kg/h, 50kg/h, 150kg/h} - Đáp ứng lưu lượng hệ: Hình 13 Đáp ứng lưu lượng hệ với tín hiệu đặt thay đổi - Đáp ứng vận tốc dài băng tải: Hình 14 Đáp ứng vận tốc dài băng tải với tín hiệu đặt thay đổi - 48 - - Tín hiệu khối lượng băng tải: Hình 15 Tín hiệu khối lượng băng tải tín hiệu đặt thay đổi 3.2.2.3 Đáp ứng hệ nguyên liệu băng không đồng (nhiễu tác động) - Tín hiệu tốc độ đặt: Qđ = 100kg/h - Đáp ứng lưu lượng hệ: Hình 16 Đáp ứng lưu lượng hệ nguyên liệu băng không đồng - 49 - - Đáp ứng vận tốc dài băng tải: Hình 17 Đáp ứng vận tốc dài băng tải nguyên liệu băng không đồng - Tín hiệu khối lượng băng tải: Hình 18 Tín hiệu khối lượng băng tải nguyên liệu băng không đồng - 50 - 3.2.2.4 Đánh giá kết thực nghiệm Từ kết thực nghiệm trên, thấy số đặc điểm sau: - Đáp ứng hệ thống bám theo tín hiệu đặt cho dù tín hiệu đặt dạng khác - Thời gian xác lập nhanh, lượng điều chỉnh nhỏ 3.3 Kết luận chương Chương trình bày thiết bị phục vụ thực nghiệm hệ thống cân băng định lượng với điều khiển lưu lượng thực PLC S7-200 CPU 226 Thực thực nghiệm điều khiển hệ thống cân băng định lượng với dạng lưu lượng đặt khác thu kết đạt với lý thuyết phân tích Bộ điều chỉnh lưu lượng trình bày chương thực tốt chức điều chỉnh lưu lượng - 51 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu khảo sát hệ thống cân băng định lượng mơ hình thực nghiệm Khoa Điện Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên - Đại học Thái Nguyên Đối chiếu với yêu cầu mục tiêu đề luận văn giải đầy đủ cho kết sau: + Nghiên cứu hệ thống cân băng định lượng, thực thuật toán điều khiển đáp ứng yêu cầu công nghệ Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng + Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống cân băng định lượng tổng hợp điều chỉnh lưu lượng cho hệ việc nhận dạng mơ hình tốn học hệ thống Luật điều khiển lưu lượng xác định theo phương pháp modul tối ưu Để thực luật điều khiển tác giả chọn sử dụng PLC S7 200 CPU 226 + Từ kết nghiên cứu tác giả thực thành công mơ hình thực nghiệm Khoa Điện Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên + Xây dựng mô hình thực nghiệm Bộ mơn Tự động hóa Khoa Điện Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên - Đại học Thái Nguyên Các kết thực nghiệm kiểm chứng lý thuyết cho thấy hệ thống hoàn toàn đáp ứng yêu cầu đề Kiến nghị Hồn thiện kết nghiên cứu để áp dụng vào thực tiễn sản xuất - 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Bùi Quốc Khánh – Phạm Quốc Hải – Dương Văn Nghi (1999), Điều chỉnh tự động truyền động điện, nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Phùng Quang (1996), Điều khiển động không đồng xoay chiều ba pha, nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Tiếng Anh 48531EMS – Chapter 12 Brushless DC motors Bhim Singh – B P Singh – (Ms) K Jain (2002), Implementation of DSP based Digital Speed for Permanent Magnet Brushless dc Motor, Department of Electrical Engineering, IIT, New Delhi Bimal K Bose (1996), Power Electronics and Variable Frequency Drives, University of Tennessee, Knoxville, Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., NewYork Devendra Rai, Brushless dc Motor – Simulink simulator, Department of Electronics and Communication Engineering, National Institute of Technology Karnataka, India DSP-based Electric Drives Laboratory, Getting Started with dSPACE, University of Minnesota Jianwen Shao (2003), Direct Back EMF Detection Method for Sensorless Brushless DC (BLDC) Motor Drives, Virginia Tech University Texas Instruments (1997), DSP Solutions for BLDC Motors, Literature Number: BPRA055 Arduino, http://arduino.cc ... cơng nghệ u cầu chất lượng điều khiển cao, việc nghiên cứu ứng dụng PLC để điều khiển hệ truyền động biến tần động theo yêu cầu công nghệ cân băng định lượng việc làm cần thiết hướng nghiên cứu. .. KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN QUANG HUY “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PLC ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ TRONG CÔNG NGHỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG” Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa... rộng dải điều chỉnh tốc độ hệ truyền động khắc phục phương pháp điều chỉnh tần số (Hệ truyền động biến tần - động cơ) Với hệ truyền động yêu cầu chất lượng điều khiển khơng cao điều khiển theo