Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ sử dụng hệ biến tần và plc

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ***** ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SỬ DỤNG HỆ BIẾN TẦN VÀ PLC Sinh viên thực : ĐẬU ĐỨC PHƢƠNG Lớp 53K1 - KTĐK&TĐH Giảng viên hƣớng dẫn : ThS ĐINH VĂN NAM Nghệ An, 05-2017 TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ***** ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SỬ DỤNG HỆ BIẾN TẦN VÀ PLC Sinh viên thực : ĐẬU ĐỨC PHƢƠNG Lớp 53K1 - KTĐK&TĐH Giảng viên hƣớng dẫn : ThS ĐINH VĂN NAM Cán phản biện : Th.S HỒ SỸ PHƢƠNG Nghệ An, 5-2017 LỜI NÓI ĐẦU Sau bốn năm rƣỡi học tập trƣờng đại học Vinh, đƣợc giúp đỡ thầy cô giáo đặc biệt quan tâm bảo tận tình thầy cô viện Kỹ Thuật Và Công Nghệ , chúng em tích lũy cho thân nhiều kiến thức cần có kỹ sƣ tự động hóa Để giúp sinh viên nắm vững kiến thức chuyên ngành cách có hệ thống bƣớc đầu làm quen với công việc thực tế ngƣời kỹ sƣ, sinh viên đƣợc giao làm đồ án tốt nghiệp với mục đích tập phân tích, tổng hợp xây dựng hệ thống điều khiển thực tế Đề tài em đƣợc giao là: Nghiên cứu thiết kế điều khiển tốc độ động không đồng sử dụng hệ BIẾN TẦN PLC Trong đời sống sản xuất ngày đƣợc công nghiệp hóa, đại hóa nhƣ ngày nay, việc sử dụng động khơng thể thiếu, động dùng cho băng tải, cầu trục, nhƣ cho tất máy móc khác việc điều khiển ổn định đƣợc tốc độ động cần thiết Có nhiều cách để điều khiển ổn định tốc đô động Tuy nhiên PLC đƣợc sử dụng phổ biến thích hợp công nghiệp, đặc biệt điều khiển động Nên việc nghiên cứu PLC biến tần để điều khiển ổn định tốc độ động cần thiết Đồ án em mô hình mơ điều khiển ổn định thực tế động dùng cơng nghiệp Mơ hình điều khiển ổn định động sử dụng cho động hoạt động với tốc độ cao, đƣợc điều khiển PLC S7-200 Tồn q trình làm việc tốc độ động đƣợc giám sát thông qua giao diện WinCC Yêu cầu đặt cho đồ án:  Đối với mơ hình yêu cầu quan trọng hàng đầu điều chỉnh khống chế đƣợc tốc độ động Đảm bảo động hoạt động xác ổn định thời gian dài  Đối với báo cáo lý thuyết Word cần làm đƣợc mơ cho mơ hình, nêu cụ thể phần lý thuyết liên quan để ngƣời đọc hiểu rõ đối tƣợng đƣợc thiết kế nhƣ q trình làm mơ hình  Đối với sinh viên thực hiện: Nắm đƣợc trình thiết kế sản phẩm thực tế, tiếp cận tìm hiểu sâu thiết bị PLC, cảm biến sử dụng thành thạo phần mền cần thiết ngƣời kỹ sƣ tự động hóa nhƣ Matlap, WinCC, Step 7… LỜI CẢM ƠN Sau thời gian ba tháng làm việc nghiêm túc với nỗ lực thân quan tâm, bảo tận tình giảng viên hƣớng dẫn Th.s Đinh Văn Nam nhƣ hỗ trợ từ thầy cô viện kỹ thuật công nghệ- trƣờng đại học Vinh, em hoàn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn thầy cơ! Do cịn thiếu kinh nghiệm thực tế nên đồ án tránh khỏi sai sót mong thầy nhƣ bạn đóng góp ý kiến để đồ án em đƣợc hoàn thiện em xin chân thành cảm ơn! TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án em mơ hình mơ điều khiển ổn định thực tế động dùng cơng nghiệp Mơ hình điều khiển ổn định động sử dụng cho động hoạt động với tốc độ cao, đƣợc điều khiển PLC S7-200 Tồn q trình làm việc tốc độ động đƣợc giám sát thông qua giao diện WinCC Có thể điều chỉnh khống chế đƣợc tốc độ động Đảm bảo động hoạt động xác ổn định thời gian dài đƣợc mơ cho mơ hình, nêu nêu cụ thể phần lý thuyết liên quan để ngƣời đọc hiểu rõ đối tƣợng đƣợc thiết kế nhƣ q trình làm mơ hình ABSTRACT This thesis researches about controlling speed of the motor that is used in industry This model can be applied to engines operating at very high speeds, conducted by PLC S7-200 The entire process is monitored through WinCC In this model, the motor operates correctly and stabily for long periods of time The thesis has already researched about the relevant theory so the readers can understand the object as well as the process of making this model MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BA PHA .11 1.1 Định nghĩa động xoay chiều ba pha .11 1.1.1 Cấu tạo 11 1.2 Nguyên lý hoạt động 13 1.3 Các phƣơng pháp khởi động động không đồng 14 1.3.1 Đặt vấn đề 14 1.3.2 Khởi động động dị 15 1.4 Đặc tính động khơng đồng 17 1.4.1 Thống kê lƣợng động 17 1.4.2 Moment quay (moment điện từ) động dị .18 1.4.3 Đặc tính động dị ba pha 20 1.5 Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động không đồng 21 1.5.1 Điều chỉnh động dị cách thay đổi tần số nguồn 22 1.5.2 Phƣơng pháp điều chỉnh U/f = const 23 1.5.3 Chọn phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ 25 1.6 Phƣơng pháp đọc tốc độ động dùng encoder 26 1.6.1 Khái niệm : 26 1.6.2 Cấu tạo encoder quay quang 26 1.6.3 Phân loại 27 CHƢƠNG TÌM HIỂU CHUNG VỀ BIẾN TẦN, BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC HỆ THỐNG GIÁM SÁT WINCC 28 2.1 Khái quát biến tần tầm quan trọng biến tần 28 2.2 PHÂN LOẠI BIẾN TẦN 30 2.2.1 Biến tần trực tiếp .30 2.3 Giới thiệu PLC modoul mở rộng EM- 235 .32 2.3.1 Giới thiệu PLC 32 2.3.2 Module mở rộng EM235 34 2.4 Tổng quan WinCC .34 2.4.1 Giới thiệu WinCC 34 2.4.2 Các thành phần project WinCC 35 2.4.3 Các trình soạn thảo 36 CHƢƠNG MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 38 3.1 Xác định hàm truyền hệ thống 38 3.1.1 Hàm truyền đạt đặc tính động học 38 3.1.2 Cách xác định hàm truyền đạt 38 3.1.3 Ứng dụng tìm hàm truyền cho hệ thống điều khiển ổn định tốc độ động 43 3.2 Thiết kế, chỉnh định tham số cho điều khiển 45 3.2.1 Tìm hiểu số điều khiển thƣờng dùng tốc độ động 45 3.2.2 Thiết kế số điều khiển cho động 47 3.2.3 Nhận xét đánh giá kết 52 4.1 Giới thiệu hệ thống 54 4.2 Lựa chọn thiết bị thi công mô hình cho hệ thống .55 4.2.1 Phần đế 55 4.2.2 Biến tần 55 4.2.3 Encoder 56 4.3 Mạch điều khiển 56 4.3.1 PLC 56 4.3.2 EM 235 57 4.3.2 Lƣu đồ thuật toán 58 4.3.3 Code chƣơng trình PLC 59 4.4 Thiết kế giao diện điều khiển, hiển thị giám sát cho hệ thống động .67 4.4.1 Giao diện giới thiệu 67 4.4.2 Giao diện điều khiển hệ thống 67 4.4.3 Sử dụng PID tool PLC để điều chỉnh tham số 68 CHƢƠNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN CHO ĐỒ ÁN 69 5.1 Nhận xét đánh giá kết .69 5.2 Phƣơng hƣớng phát triển 70 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Cấu tạo động không đồng 11 Hình 1.2 Sơ đồ lƣợng động di .18 Hình 1.3 đặc tính M= f(s) U1= const, f1= const 21 Hình 1.4 Đồ thị biểu thị mối quan hệ momen điện áp theo tần số theo luật điều khiển U/f=const 25 Hình 1.5 encoder 26 Hình 1.6 Cấu tạo encoder 27 Hình 2.1 Sơ đồ biến tần trực tiếp 30 Hình 2.2 Điện áp biến tần trực tiếp 31 Hình 3.1 Xác định hàm truyền từ hàm độ 40 Hình 3.2 Phƣơng pháp kẻ tiếp tuyến đồ thị đáp ứng 41 Hình 3.3 Phƣơng pháp xác định tham số đồ thị giải tích 42 Hình 3.4 Xác định hàm truyền hệ thống 44 Hình 3.5 Sơ đồ điều khiển động ON/OFF .45 Hình 3.6 Bộ điều khiển PID 46 Hình 3.7 Sơ đồ điều khiển ON/OFF simulink 47 Hình 3.8 Đáp ứng đầu điều khiển on/off 48 Hình 3.9 Sơ đồ thiết kế điều khiển PI,PID Simunlink .49 Hình 3.10 Lựa chọn điều khiển cần thiết kế 49 Hình 3.11 Chức tự động chỉnh định Simulink .50 Hình 3.12 Đáp ứng đầu điều kiển PID 50 Hình 3.13 Tham số điều khiển PID 51 Hình 3.14 Đáp ứng đầu PI 51 Hình 3.15 Tham số điều khiển PI .52 Hình 4.1 Sơ đồ khối tồn hệ thống mơ hình điều khiển ổn định tốc độ động 54 Hình 4.1 Tấm ván gỗ chọn để làm đế hệ thống 55 Hình 4.4 Encoder dạng 100 xung đƣợc dùng hệ thống 56 Hình 4.5 PLC s7-200 cpu 224 dùng hệ thống 56 Hình 4.6 EM235 sử dụng hệ thống 57 Hình 4.7 Lƣu đồ thuật tốn chƣơng trình PLC 58 Hình 4.8 giao diện giới thiệu .67 Hình 4.9 Giao diện điều khiển hệ thống 67 Hình 4.10 đồ thị hiển thị kết điều khiển ổn định PID chƣa cài đặt tham số 66 Hình 4.11 đồ thị hiển thị kết điều khiển ổn định PID cài đặt tham số Kp, Ti 66 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Tốc độ động sau phút hoạt động 45 Bảng 3.2 So sánh kết đáp ứng đầu điều khiển 52 10 4.3.2 EM 235 EM 235 dùng để xuất tín hiệu điện áp từ 0v- 10v cấp cho điều khiển biến tần để điều khiển điện áp biến tần cho động Hình 4.6 EM235 sử dụng hệ thống 57 4.3.2 Lƣu đồ thuật toán Bắt đầu Đặt tốc độ Nhập thông số PID N Hệ thống chạy Y Đọc tốc độ động Điều khiển PID Xuất tín hiệu điều khiển băm xung Hiển thị đầu Kết thúc Hình 4.7 Lƣu đồ thuật tốn chƣơng trình PLC 58 4.3.3 Code chƣơng trình PLC  Chƣơng trình (main) 59  Các chƣơng trình Chƣơng trình scale Chƣơng trình khởi tạo 60 Chƣơng trình ngắt ( PID0_INIT) 61 62 63 64 Chƣơng trình PID_EXE 65 66 4.4 Thiết kế giao diện điều khiển, hiển thị giám sát cho hệ thống động 4.4.1 Giao diện giới thiệu Hình 4.8 giao diện giới thiệu 4.4.2 Giao diện điều khiển hệ thống Hình 4.9 Giao diện điều khiển hệ thống 67 4.4.3 Sử dụng PID tool PLC để điều chỉnh tham số Hình 4.10 đồ thị hiển thị kết điều khiển ổn định PID chƣa cài đặt tham số Hình 4.11 đồ thị hiển thị kết điều khiển ổn định PID cài đặt tham số Kp, Ti Kết luận: Khi chƣa đặt tham số hệ thống hoạt động khơng ổn định, có độ vọt lố cao Khi đặt tham số Kp, Ti hệ thống hoạt động ổn định đáp ứng đƣợc yêu cầu đặt 68 CHƢƠNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN CHO ĐỒ ÁN 5.1 Nhận xét đánh giá kết Mơ hình điều khiển ổn định tốc độ động đáp ứng đƣợc yêu cầu quan trọng điều khiển ổn định đƣợc tốc độ động hệ thống đáp ứng đƣợc yêu cầu đặt từ đầu - Chi phí tƣơng đối thấp phù hợp với mơ hình đồ án sinh viên - Thiết kế mơ hình giúp thuận tiện cho việc quan sát nhƣng có kết cấu chắn cần thiết - Mơ hình đáp ứng tốt với mức tốc độ thấp khoảng từ 0-200 r/min (thời gian độ nhỏ, tốc độ đƣợc giữ ổn định) - Trong thời gian làm việc dài, thiết bị hoạt động tốt xác Bên cạnh mặt tích cực mơ hình cịn nhiều thiết sót - Do việc gia cơng chƣa tốt nên chƣa đảm bảo đƣợc độ thẫm mỹ mô hình Đối với mức tốc độ cao (trên 500vịng/ phút) thời gian đáp ứng tƣơng đối lớn Nhận xét chung: Đối với đồ án sinh viên mơ hình đạt u cầu nhiên để sử dụng cơng nghiệp mơ hình chƣa thể đáp ứng đƣợc Vẫn cần thiết kế chỉnh định nhiều để chất lƣợng hệ thống tốt Khả ứng dụng: Hệ thống sử dụng để phục vụ vào thực tế nhƣ dùng cho động vít tải, băng tải, hệ thống cấp liệu v v Đối với sinh viên thực việc hoàn thành đồ án kinh nghiêm thực tế quý báu bổ ích, giúp làm quen với công việc thiết kế thi công hệ thống tự động, đƣợc tiếp xúc làm việc trực tiếp với thiết bị nhƣ cảm biến PLC… Cũng qua q trình làm đồ án nhận thấy kiến thức học tập lớp quan trọng nhiên để áp dụng vào công việc cần học hỏi thêm nhiều 69 5.2 Phƣơng hƣớng phát triển - Trƣớc tiên cần điều chỉnh lại để khắc phục khuyết điểm nêu nhƣ sử kết chƣa tốt kéo tải lớn, thời gian để ổn định lớn - Tăng công suất động - Kết hợp thêm với việc điều khiển thiết bị khác nhƣ băng tải, máy bơm PLC để tạo hệ thống tự động hoàn chỉnh phù hợp với nhiều yêu cầu công việc mà tiết kiệm đƣợc chi phí - Tăng khả an toàn cho hệ thống cách trang bị thêm thiết bị cảnh báo (còi, đèn báo …) thiết bị bảo vệ (rơ-le, aptomat…) Và thiết bị đo dòng, điện áp 70 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình Lý thuyết điều khiển tự động – đại học điện lực hà nội, xuất năm 2009 [2] Giáo trình Tự động hóa q trình cơng nghệ [3] Giáo trình Tự động hóa với Simatic S7-200 – đại học bách khoa hà nội [4] TS Trần Thu Hà, KS Phạm quang huy, Lập trình s7 với wincc, Nhà xuất Hồng Đƣớc [5] Nguyễn Phùng Quang (1996), Điều khiển động truyền động xoay chiều ba pha, NXBGD Hà Nội [6] Nguyễn Doãn Phƣớc (2007), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXBKH KT [7] Ngô Quang Hà, Trần Văn Trọng, Kỹ thuật điều khiển lập trình (SPS - PLC), Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội - 2006 [8] Lê Văn Tấn Dũng, Điều khiển lập trình PLC mạng, Nhà xuất khoa học kỹ thuật – 2003 [9] Datasheeet s7 200 [10] Help step 71 ... VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ***** ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SỬ DỤNG HỆ BIẾN TẦN VÀ PLC Sinh viên thực... đƣợc sử dụng phổ biến thích hợp cơng nghiệp, đặc biệt điều khiển động Nên việc nghiên cứu PLC biến tần để điều khiển ổn định tốc độ động cần thiết Đồ án em mơ hình mơ điều khiển ổn định thực tế động. .. hình mô điều khiển ổn định thực tế động dùng cơng nghiệp Mơ hình điều khiển ổn định động sử dụng cho động hoạt động với tốc độ cao, đƣợc điều khiển PLC S7-200 Tồn q trình làm việc tốc độ động đƣợc