Luận văn thạc sĩ điều khiển truyền động máy gạt phôi bằng module PID mềm của PLC s7300

1 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.ltc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN HỒNG QUY ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG MÁY GẠT PHÔI BẰNG MODULE PID MỀM CỦA PLC S7300 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Thái Nguyên – 2015 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.ltc.tnu.edu.vn Lời nói đầu Ngày với phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật, thiết bị máy móc ngày trở lên tiện dụng người, việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào nghành công nghiệp trở thành xu tối ưu tất yếu, tự động hóa hệ thống máy móc tối tân phức tạp theo ý muốn người khơng cịn điều khó khăn Các hệ thống điều khiển máy công nghiệp áp dụng quy luật điều khiển từ cổ điển đại Kết thu hệ thống hoạt động với độ xác cao, tính ổn định bền vững, thời gian đáp ứng nhanh Trong điều khiển công nghiệp, điều khiển PID mềm PLC S7-300 lựa chọn tối ưu cho hệ thống điều khiển có hàm truyền( phương trình trạng thái) điều khiển vị trí, điều khiển vận tốc, điều khiển mức, điều khiển nhiệt độ…PLC đưa vào ứng dụng rộng dãi công nghiệp, đặc biệt dây truyền sản xuất Trong hệ thống máy gạt phôi nhà máy Gang thép Lào Cai, PLC ứng dụng để tự động hóa q trình chuyển động xe gạt thơng thơng qua chương trình điều khiển module mềm PLC S7-300 Để giúp cho việc học tập nghiên cứu vận hành sửa chữa hệ thống máy gạt phôi tự động nên em chọn đề tài luận văn “ Điều khiển truyền động máy gạt phôi module PID mềm PLC S7-300” Trong thời gian nghiên cứu làm luận văn thiết bị máy em khơng tránh khỏi thiếu sót mong thầy bạn đóng góp thêm để em hồn thiện luận văn tốt Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.ltc.tnu.edu.vn Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Võ Quang Lạp thầy tận tình hướng dẫn em đề tài này, cảm ơn thầy cô dành thời gian lắng nghe bảo giúp em tìm sai sót giải đáp thắc mắc em q trình hồn thiện luận văn Chƣơng TỔNG QUAN VỀ MÁY GẠT PHÔI 1.1 TỔNG QUAN VỀ MÁY GẠT PHƠI Máy gạt phơi thép loại máy sử dụng lĩnh vực sản xuất thép, máy gạt phôi sử dụng nhà máy có quy mơ sản xuất lớn đáp ứng yêu cầu làm việc liên tục, chịu nhiệt cao, tải lớn làm việc bền bỉ, giảm thiểu sức lao động người môi trường làm việc khắc nghiệt nhiệt độ, độ ẩm Trong q trình làm việc phơi thép đến sàn vận chuyển cịn nóng khoảng 300-600oC, để vận chuyển phôi thép sàn làm nguội ta cần phải sử dụng máy gạt phôi để làm việc Để tạo phơi thép, ban đầu người ta nấu luyện nước gang từ quặng sắt thành phần khác, nước gang nấu luyện từ quặng sắt Lò cao chuyển sang hệ thống Lò thổi xưởng Luyện thép sau pha trộn thêm chất mangan, silic, huỳnh thạch, vôi, đô lô mít, Quặng sắt, hợp kim…được nấu luyện nhiệt độ cao thơng qua hệ thống lị thổi đỉnh (hoặc thổi đáy, thổi sườn) oxy cao áp tạo nước thép với mác thép tùy theo pha trộn chất, nhiệt độ để thép 1600 độ tùy vào mác thép thành phần thép sau nước thép chuyển qua hệ thống đúc liên tục, người vận hành đo nhiệt thêm lần nhiệt độ yêu cầu 1530 độ đến 1600 độ, hệ thống đúc liên tục tạo Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.ltc.tnu.edu.vn phôi với mác thép theo yêu cầu sản xuất tỷ lệ pha trộn chất tỷ lệ nước q trình kéo dịng phơi thép, phơi thép đúc thành hình thơng qua hệ thống khuân đúc hệ thống máy kéo nắn thép, tùy cơng suất nhà máy đúc dòng thép, dòng thép, dòng thép Từ máy kéo nắn phôi thép đưa hệ thống máy cắt phôi tự động, gian cắt phôi, phôi thép cắt tự động tùy yêu cầu sản xuất loại phơi 6m 12m, sau phơi thép cắt phơi chuyển sàn lăn vận chuyển nhờ lăn dẫn hướng, từ sàn lăn vận chuyển phôi thép đưa tới sàn lăn máy gạt phơi, máy gạt phơi có nhiệm vụ đưa phôi thép tới sàn nguội, để tập kết phôi kho chứa phơi Hình 1.1: Mơ hình hệ thống đúc liên tục dịng phơi thép 1.1Cơng dụng máy gạt phôi Máy gạt phôi dạng xe di chuyển đặt đường ray sàn làm nguội phơi thép có cơng dụng vận chuyển phơi từ sàn lăn vận chuyển để đưa tới sàn lật từ sàn lật phôi thép cầu trục đưa tới nơi xếp phôi, máy gạt phôi sàn lật phơi ngồi việc vận chuyển phơi, làm nguội phơi, giảm thiểu sức lao động người cịn có tác dụng chống phôi bị cong vênh, giúp sản phẩm đầu có chất lượng tốt Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.ltc.tnu.edu.vn Hình 1.2: Máy gạt phôi thép 1.1.2Các truyền động máy Máy gạt phơi có hai truyền động truyền động chạy tiến lùi( Truyền động điện), truyền động nâng hạ gạt để gạt phôi(Truyền động điện khí nén) *Truyền động tiến lùi: Xe gạt phơi chạy tiến lùi theo vận hành người thao tác, chuyển động tiến/lùi có đoạn biến tốc sau -Q trình gạt phơi tiến:Dừng - Chậm - Nhanh-Chậm - Dừng (0 m/p -5m/p-20m/p/5m/p-0m/p) Quá trình chạy tiến gạt phôi sàn lật để làm nguội lấy phơi -Q trình lùi xe gạt phơi:Dừng - Chậm - Nhanh-Chậm - Dừng (0 m/p -5m/p-20m/p/5m/p-0m/p) Quá trình chạy lùi xe gạt phơi vị trí ban đầu để chờ phôi gạt Khi tiến xe gạt phơi lùi xe gạt phơi hệ thống có chút khác, gạt phơi động làm việc có tải chế độ động hệ thống tăng tốc (Động cơlàm việc góc phần tư thứ I), động quay ngược vị trí ban đầu nghĩa động làm việc không tải, động làm việc chế độ động (Góc phần tư thứ III), giảm tốc độ từ cao xuống thấp tùy theo chiều quay động làm việc chế độ hãm động năng(ở góc phần tư thứ II thứ IV) Sơ đồ chế độ làm việc sau Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.ltc.tnu.edu.vn Hình 1.3: Các chế độ làm việc xe gạt phôi A1 :Xe chạy thuận với tốc độ cao A2: Xe chạy thuận với tốc độ thấp A1’: Xe chạy ngược với tốc độ cao A2’: Xe chạy ngược với tốc độ thấp B1, B2: Chế độ hãm xe giảm tốc từ tốc độ cao xuống tốc độ thấp chế độ chạy thuận B1’, B2’: Chế độ hãm xe giảm tốc từ tốc độ cao xuống tốc độ thấp chế độ quay ngược Tốc độ chậm ban đầu xe chưa chạy tới vị trí gạt phơi xe chạy với tốc độ chậm tới vị trí gạt phơi xe chạy với tốc độ nhanh gần tới vị trí trung chuyển với sàn lật xe lại chạy với tốc độ thấp để phơi đưa vào ăn khớp với q trình lật phơi sàn lật.Các cấp tốc độ cài mặc định sẵn biến tần M440, việc thay đổi cấp tốc độ thực xe chạy tới vị trí sensor cảm biến tiệm cận, vị trí cảm biến đặt vị trí điểm biến tốc *Chuyển động nâng hạ gạt để gạt phôi:Chuyển động hoạt động theo hai chế độ nâng hạ gạt tự động nâng hạ gạt tay -Ở chế độ tự động xe gạt bắt đầu chuyển từ tốc độ thấp lên tốc độ cao gạt tự động hạ xuống để giữ phôi theo chiều tiến xe gạt, hết hành trình gạt, phơi đưa tới vị trí trung chuyển sàn lật gạt tự động nâng lên Ở chế độ tay người vận hành chủ động ấn nút bàn điều khiển để điều chỉnh trình nâng hạ gạt cho đáp ứng nhu cầu sản xuất Chuyển động nâng hạ gạt không sử dụng động chuyển động xe gạt màthanh gạt nâng hạ thực thông quapittong xi lanh khí nén cao áp Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.ltc.tnu.edu.vn Cả hai chuyển động điều khiển thông qua PLC S7-300, nhiên có chuyền động xe gạt phơi điều khiển thông qua PID mềm PLC S7-300 kết nối với biến tần Siemens M440, trongđề tài luận văn em chọn truyền động xe gạt phôi để nghiên cứu khảo sát 1.1.3Sơ đồ cấu tạo máy gạt phôi sau: 1.1.3.1 Cấu tạo khí Hình 1.4: Sơ đồ cấu tạo 1: Động truyền động máy gạt phơi (380v /45kw) Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.ltc.tnu.edu.vn 2: Thanh gạt phơi sử dụng hệ thống khí nén điều khiển thông qua PLC 3: Thanh ray để xe gạt phôi di chuyển 4: Máng cáp để chứa cáp điện đường khí nén 5:Vị trí cảm biến tiệm cận 6: Xe gạt phôi 7: Hai bánh tỳ động xe 8:Trụ đỡ hệ thống xe gạt phơi 9: Ống mềm dẫn khí nén vào xi lanh 10:Xi lanh khí nén * Xe gạt phơi gồm: + Động không đồng ba pha roto lồng sóc (45kw) + Cơ cấu phanh hãm xi lanh khí nén + Hộp giảm tốc + Máy phát tốc +Cơ cấu gạt khí nén + Máng cáp *Máng cáp loại máng cuộn trịn lại xe di chuyển cáp điện cáp tín hiệu,và đường ống khí nén đặt máng cáp *Thanh gạt xe gạt phơi bố trí gạt sử dụng xi lanh khí nén để nâng hạ gạt, khí nén cấp vào xi lanh với áp lực 0,5-0,8Mpa Hình 1.5: Xi lanh khí nén + Xi lanh khí nén(1) + Ống kim loại mềm dẫn khí nén(2) + Cơ cấu gạt(3) Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.ltc.tnu.edu.vn 10 + Ống kẽm DN25 dẫn khí nén, chia khí(4) + Trục truyền chuyển động giúp nâng hạ gạt(5) *Các cảm biến tiệm cận lắp để định vị trí thay đổi tốc độ xe gạt phơi *Động truyền động máy gạt phơi: Hình 1.6: Động + Động roto lồng sóc công suất 45Kw/380v, 735r/min(1) + Bộ phanh hãm xi lanh khí nén(2) + Hộp giảm tốc(3) + Máy phát tốc(4) *Thanh ray để xe gạt phôi di chuyển Chiều dài ray 9,42m, xe gạt phơi di chuyển ray 6,91m khoảng hình vẽ Hình 1.7: Thanh ray Một cấu bánh gắn với trục truyền lắp xe để ăn khớp với ray Hình 1.8: Bánh ăn khớp với ray 1.1.3.2 Cấu tạo điện điện điều khiển Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.ltc.tnu.edu.vn 97 Hình 3.16: Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM Điều khiển dựa từ thông ảo phương pháp điều khiển cần phải ước lượng từ thông ảo lưới điện áp dụng phương pháp điều khiển từ thông stator động không đồng cho lưới điện Nếu điều khiển mạch vịng dịng điện gọi phương pháp VFOC(Voltage Flux Oriented Control), điều khiển dựa theo cơng suất gọi phương pháp VF-DPC d  Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM định hướng thao vector điện áp Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM định hướng theo vector điện áp dựa vào dòng điện (VOC) Đặc điểm phương pháp điều khiển dựa vào dịng điện xử lý tín hiệu hai hệ tọa độ tọa độ cố định − hệ tọa độ d – q giá trị dòng điện đo hệ bapha biến đổi sang hệ tọa độ cố định − , sau biến đổi sang hệ tọa độ d – q Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC trình bày hình sau: Hình 3.17: Hệ truyền động động xoay chiều – biến tần dùng chỉnh lưu PWM với phương pháp điều khiển Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.ltc.tnu.edu.vn 98 Hình 3.18: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC Các khâu chức khối điều khiển chỉnh lưu theo phương pháp VOC gồm : - Khâu đo dòng điêṇ vàước lươngc̣ điêṇ áp lưới : Thưcc̣ hiêṇ đo dòng điêṇ xoay chiều đầu vào chỉnh lưu (iLa, iLb), biến đổi dịng điêṇ ởhê c̣ba pha sang vector khơng gian c̣toạ đô c̣cố đinḥ α-β(iLα, iLβ) tính thành phần vector điện áp lưới hệ tọa độ α-β(u Lα, uLβ) Khâu biến đổi α-β → k-γ: thưcc̣ hiêṇ xác đinḥ góc γ vector điêṇ áp lưới vàtrucc̣ α c̣toạ đô α c̣ -β, cung la goc giưa trucc̣ d cua tc̣ oạ đô c̣quay d đô cc̣ ốđinḥ α-β, phục vụ cho việc chuyển tọa độ vector dong va ap - Khâu biến đổi nhâṇ đươcc̣ cac phần cua vector dong điêṇ lươi c̣toạ đô c̣quay d-q(i ́́ Khâu biến đổi d-q → α-β làm nhiêṃ vu bc̣ iến đổi tc̣ oạ đô vc̣ ector điêṇ áp tải qui đổi, đầu nhâṇ đươcc̣ cac phần cua vector điêṇ ap tai c̣toạ đô c̣ ́́ khiển khâu điều chếđô rc̣ ôngc̣ xung PWM Cấu truc điều khiển CLPWM the o VOC: Ta choṇ trucc̣ d trung vơi vector điêṇ ap ́́ U =U U Ld L Lq Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.ltc.tnu.edu.vn 99 U Ld  Ri Ld  L di Ld dt  Li Lq  Usd di U Lq  Ri Lq  L dtLq  Li Ld  Usq Được rút gọn (với giảthiết R  0) là: U Ld  L di dt Ld  Li Lq  Usd  Li Ld  Usq Cấu trúc macḥ vòng điều khiển CLPWM đươcc̣ trinh ̀ bày hinh̀ 3.19 Trong lươngc̣ đăṭdịng điêṇ i *q  , lươngc̣ đăṭdịng i*d lấy từ đầu bơ đc̣ iều chinhh̉ điêṇ áp mơṭ chiều ΔUdc Udc Udc Hình 3.19 Cấu truc cac macḥ vong điều khiển CLPWM theo VOC Vector dong điêṇ IL trùng với trục d ta có: ́̀ Dịng điện i d-q Góc vector điện áp γ Cấu truc điều khiển CLPWM theo VOC đươcc̣ trinh bay hinh 3.20 ́́ Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.ltc.tnu.edu.vn 100 Hình 3.20 Cấu trúc điều khiển CLPWM theo VOC Cấu trúc macḥ vòng dòng điêṇ chinhh̉ lưu tich́ cưcc̣ đươcc̣ trinh̀ bày hinh̀ 3.21 * id -id * iq Hình 3.21 Cấu trúc macḥ vòng dòng điêṇ chỉnh lưu tić h cưcc Tính tham số: Cấu trúc macḥ vịng dịng điêṇ bỏtác đôngc̣ hai kênh d , q: -iq Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.ltc.tnu.edu.vn Hình 3.22 Cấu truc macḥ vong dong điêṇ bo qua tac đôngc giưa hai kênh d, q (s)  G i Trong đo: T  ́́ Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu module ta tinh  Ti    K p  2.3 Mô phỏng t ̣ ruyền đông ̣ sốxung áp – đông ̣ điêṇ môṭchiều dùng card arduino truyền đ ộng cho xe gạt phôi 3.2.3.1 Cấu trúc mô t ̣ ruyền đông ̣ xe gạt phôi a Tham sốmô +L = 10mH +C = 1000mF +U~ = 220/380, f = 50Hz Phần môṭchiều biến tần PWM:  +Udc = 650V Tham sốbơ đc̣ iều khiển dịng: Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.ltc.tnu.edu.vn 102 +Kp = 10 +Ki = 1000 +Kp = 0,2 +Ki = 20 Tham sốbô đc̣ iều khiển tốc đô:c̣ + Kp = 2,6 + Ki = 50 b Cấu trúc mô t ̣ hống vàsơ đồchi tiết Trong tc̣ hống sử dungc̣ điều khiển chinhh̉ lưu PWM làphương pháp VOC , phần nghịch lưu sử dụng phương pháp điều khiển trực ti ếp momen (DTC) Sơ đồmô c̣ thống dùng phần mềm PLECS chaỵ MATLAB Sơ đồmô tc̣ hống đươcc̣ trinh̀ bày hình vẽ sau: Hình 3.23 Sơ đồmơ chỉnh lưu PWM tải điêṇ trởđiều khiển theo VOC Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.ltc.tnu.edu.vn 103 Hình 3.24 Sơ đồmơ chi tiết khối điều khiển chin̉ h lưu PWM theo phương pháp VOC mô hình hình 3.23 Hình 3.25 Chi tiết khối “PLECS circuit” mô hình c Các kết mô chỉnh lưu PWM Hình 3.26 Điêṇ áp mơṭ chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.ltc.tnu.edu.vn 104 Hình 3.27 Điêṇ áp dòng điêṇ pha A chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC Hình 3.28 Dịng điện chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC thời gian 1/6 chu kỳnguồn Hình 3.29 Điêṇ áp dòng điêṇ pha A chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC thời gian chu kỳnguồn Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.ltc.tnu.edu.vn 105 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Với đề tài: “Điều khiển truyền động máy gạt phôi module PID mềm PLC S7-300” Và từ yêu cầu mục tiêu đặt giải vấn đề hệ thống điều khiển truyền động cho xe gạt phôi tương đối đầy đủ cụ thể là: Đã nêu tổng quan cần thiết việc tính tốn, khảo sát hệ truyền động từ xây dựng sơ đồ khối hệ truyền động thích hợp hệ truyền động biến tần- động điện xoay chiều roto lồng sóc điều khiển modul mềm PID PLC S7-300 Đây hệ thống sử dụng phổ biến thực tế, đồng thời giải thích rõ nguyên lý khối sơ đồ nguyên lý làm việc hệ thống Đã tính tốn khảo sát mơ để đánh giá sơ chất lượng hệ truyền động đồng thời tiến hành thí nghiệm với chế độ khác hệ thống truyền động biến tầnđộng điện xoay chiều điều khiển PID S7-300 phịng thí nghiệm trường Kết thí nghiệm giúp cho việc so sánh đánh giá với tính tốn lý thuyết, từ khẳng định chất lượng hệ thống truyền động đảm bảo để ứng dụng cho chuyển động máy gạt phôi Nhà máy gang thép Lào Cai.Đề xuất việc ứng dụng hệ truyền động cho chuyển động máy gạt phôi Kiến nghị Trong luận văn tính tốn kiểm nghiệm hệ truyền động điện chưa đưa vào hệ thống dây chuyền để kiểm nghiệm, việc tính tốn khảo sát chi tiết xác nhiên để đảm bảo chất lượng hệ thống đưa vào sản xuất cụ thể cần tiến hành nghiên cứu thêm Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.ltc.tnu.edu.vn 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO * Tiếng Việt [1] Tất tập tài liệu phục vụ đánh giá liên quan đến thiết kế hệ thống điều khiển PLC S7300, mã số: KC 03.06/06-10 [2] TS Trần Tho ,c̣ PGS.TS Võ Quang Lạp (2004), Cơ sởđiều khiển tư cđôngc truy ền động điện, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [3] Vũ Quang Hồi, Nguyễn Minh Chất, Nguyễn thị Liên Anh Trang bị điện – điện tử, NXB Giáo dục Hà Nội [4] Nguyễn Phùng Quang – Dùng cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội năm 2006 [5] Nguyêñ Trọng Thuần – Điều khiển logic & ứng dụng – NXB Khoa học & kỹ thuật Hà Nội năm 2006 [6] Các tài liệu phịng thí nghiệm * Tiếng Anh * Intermet http://www.hiendaihoa.com http://www.dientuvietnam.net Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.ltc.tnu.edu.vn ... CÔNG NGHIỆP NGUYỄN HỒNG QUY ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG MÁY GẠT PHÔI BẰNG MODULE PID MỀM CỦA PLC S7300 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Thái Nguyên – 2015... 1.2: Máy gạt phôi thép 1.1.2Các truyền động máy Máy gạt phơi có hai truyền động truyền động chạy tiến lùi( Truyền động điện), truyền động nâng hạ gạt để gạt phơi (Truyền động điện khí nén) *Truyền. .. TẦN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỂU ĐIỀU KHIỂN BẰNG MODULE PID MỀM S7-300, ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CHO MÁY GẠT PHỔI 1.2.1 Tổng quan hệ truyền động biến tần – động điện xoay chiều điều khiển module PID mềm