Thiết kế bộ điều khiển pid điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha trên plc s7 300

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA TRÊN PLC S7 300 Sinh viên thực Lớp : HỒ TRUNG PHONG : 54K1 - KTĐK&TĐH ThS LÊ VĂN CHƯƠNG Giảng viên hướng dẫn : Nghệ An, 5-2018 LỜI NÓI ĐẦU Hiện ngành công nghiệp ứng dụng tự động hóa vào q trình sản xuất nhằm tạo suất cao, hạ giá thành sảm phẩm, giảm sức lao động người Việc ứng dụng PLC vào điều khiển q trình cơng nghệ làm cho công việc thiết kế, lắp đặt, giám sát trở lên đơn giản đem lại hiệu cao PLC có khả lập trình q trình phức tạp, sửa đổi chương trình dễ dàng Ứng dụng PLC biến tần động sử dụng nhiều lĩnh vực sản xuất, giúp cho việc điều khiển động phù hợp với yêu cầu sử dụng, tiết kiệm dược lượng Trong đề tài đề cập đến việc ứng dụng PLC đo, điều khiển cảnh báo tốc độ động Cùng với giúp đỡ tận tình thầy giáo ThS Lê Văn Chương em hoàn thành nhiệm vụ giao rút vấn đề cần thiết điều khiển tốc độ động với phương pháp sử dụng hợp lí kinh tế Để đạt kết ngày hôm em xin chân thành cảm ơn thầy giáo ThS Lê Văn Chương tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em suốt trình tìm hiểu, nghiên cứu thực đồ án Em xin cảm ơn tới Viện Kỹ thuật Công nghệ tạo điều kịên trang thiết bị cho em hồn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực Hồ Trung Phong TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án nhằm mục đích thiết kế hệ thống điều khiển giám sát tốc độ động không đồng ba pha Do yêu cầu phát triển ngành công nghiệp việc điều khiển tốc độ đơng nói riêng điều khiển q trình sản xuất nói chung vấn đề thiết.Việc sử phần mềm step để lập trình sử dụng thuật toán điều khiển PID PLC giúp việc điều khiển tốc độ cánh mềm mượt tiết kiệm Hệ thống giám sát điều khiển phần mềm Win cc Trong đồ án xây dựng mơ hình điều khiển giám sát tốc độ thiết bị thực tế ABSTRACT This project aims to design a three-phase asynchronous motor speed monitoring system Due to the development requirements of the industry, the control of the engine speed in particular and the control of the production process is generally a very urgent issue The use of step software to program and use the algorithm PID control in the PLC helps to control the velocity of a smooth and economical blade The system is monitored and controlled on Win cc software This project has built up the control and monitoring model on the actual equipment MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU TÓM TẮT ĐỒ ÁN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 10 MỞ ĐẦU 11 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 12 1.1 Định nghĩa động xoay chiều ba pha 12 1.1.1Cấu tạo 12 1.2 Nguyên lý hoạt động 14 1.3 Các phương pháp khởi động động không đồng .15 1.3.1 Đặt vấn đề 15 1.3.2 Khởi động động dị 16 1.4 Đặc tính động không đồng 17 1.4.1 Thống kê lượng 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 phương 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 Phương pháp điều chỉnh U/f = const 23 1.5.3 Chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ 25 1.6 Phương pháp đọc tốc độ động dùng encoder 25 1.6.1 Khái niệm 26 1.6.2 Cấu tạo encoder quay quang .26 1.6.3 Phân loại 27 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PLC S7 300 VÀ WIN CC 28 2.1 Giới thiệu PLC S7-300 28 2.1.1 Cấu tạo họ PLC S7-300 .28 2.1.2 Các khối chức PLC S7-300 29 2.1.3 Địa gán địa .29 2.2 Giới thiệu phần mềm STEP .30 2.2.1 Giao diện phần mềm thao tác phần mềm 30 2.2.2 Các lệnh lập trình Step 32 2.2.3 Các khối chức OB 38 2.3 Giới thiệu chung Biến tần .39 2.3.1 Giới thiệu chung .39 2.3.2 Phân loại biến tần 39 2.4 Giới thiệu WINCC 40 2.4.1 Khái niệm 40 2.4.2 Các thành phần winCC 41 2.4.3 Các thành phần cửa sổ dự án 41 CHƯƠNG 43 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA TRÊN PLC S7 300 43 3.1 Phân tích yêu cầu thiết kế .43 3.2 Sơ đồ chức hệ thống điều khiển giám sát động không đồng dung PLC 43 3.3 Lựa chon thiết bị cho hệ thống 44 3.3.1 Lựa chon PLC 44 3.3.2 Lựa chọn biến tần .45 3.3.3 Lựa chon Encoder 49 3.3.4 Lựa chọn động truyền động 50 3.4 Phương pháp điều khiển PID 50 3.4.1 Hàm truyền đạt 50 3.4.2 Biến đổi điều khiển PID 51 3.4.3 Các phương pháp xác định tham số điều khiển 52 3.5 Modul mềm PID PLC_S7-300 .56 3.6 Thiết kế chương trình điều khiển step 59 3.6.1 Lưu đồ thuật toán .59 3.6.2 Phân định đầu vào gắn địa bit 60 3.6.3 Xây dựng chương trình điều khiển 60 3.7 Thiết kế chương trình giám sát điều khiển wincc 64 3.7.1 Chức điều khiển giám sát wincc 64 3.7.2 Thiết kế giao diện giám sát điều khiển 64 3.8 Mơ hình giám sát điều khiển tốc độ động không đồng ba pha 66 3.8.1 Giới thiệu mơ hình .66 3.8.2 Cài đặt vận hành hệ thống 66 3.8.3 Kết nối phần cứng 67 3.8.4 Vận hành hệ thống kết đạt 68 KẾT LUẬN .72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Cấu tạo động không đồng 12 Hình 1.2 Sơ đồ lượng 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 26 Hình 2.1 Các khối modul PLC S7-300 28 Hình 2.2 Màn hình chương trình STEP 30 Hình 2.3 Màn hình soạn thảo khối OB 30 Hình 2.4 Bảng ký hiệu (Symbol table) 31 Hình 2.5 Cửa sổ Set PG/PC Interface 31 Hình 2.6 Giao diện phần mềm wincc 41 Hình 3.1 Sơ đồ khối chức điều chỉnh tốc độ động không đồng dung PLC 43 Hình 3.2 Module nguồn PS 307-2A Siemens 44 Hình 3.3 Module CPU 313C 44 Hình 3.4 Biến tần MicroMaster 440 46 Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý biến tần MM440 48 Hình 3.6 Encoder E50S8-3000-3-T-24 49 Hình 3.7 Sơ đồ khối điều khiển PID 50 Hình 3.8 Biểu đồ đáp ứng điều chỉnh dùng PID 51 Hình 3.9 Sơ đồ cấu trúc module mềm FB41 57 Hình 3.10 Thuật điều khiển PID 58 Hình 3.11 Giao diện làm việc wincc 64 Hình 3.12 Tao kết nối với PLC 64 Hình 3.13 Khởi tao tag hệ thống 65 Hình 3.14 Xây dựng hình điều khiển giám sát 65 Hình 3.15 Sơ đồ mơ hình điều khiển tốc độ động 66 Hình 3.16 Kết hiển thị lên Wincc với tốc độ 800 v/ph 68 Hình 3.17 Kết hiển thị tốc độ chưa có thơng số PID với 800 v/ph 69 Hình 3.18 Kết hiển tốc độ có thơng số PID với 800 v/phError! Bookmark not defined Hình 3.19 Kết hiển thị lên Wincc với tốc độ 800 v/phError! Bookmark not defined Hình 3.20 Kết hiển thị PID control với tốc độ 800 v/ph 70 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Bộ soạn thảo wincc .42 Bảng 3.1 Các chân đấu dây điều khiển .47 Bảng 3.2 Các phương pháp xác định tham số điều khiển 54 Bảng 3.3 Ảnh hưởng tham số điều khiển đến điều khiển 55 Bảng 3.4 Phương pháp Ziegler–Nichols 55 Bảng 3.5 Khai báo đỉa vào chương trình 60 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN PLC Programmable logic controller Bộ điều khiển Logic Lập trình PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ MM440 MicroMaster 440 Bộ biến CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm HSC High Speed Counter Đếm xung tốc độ cao 10 3.6 Thiết kế chương trình điều khiển step 3.6.1 Lưu đồ thuật toán ❖ Chương trình chính: ❖ Chương trình đọc xung Encoder ❖ Chương trình PID 59 3.6.2 Phân định đầu vào gắn địa bit Căn vào yêu cầu cơng nghệ hệ thống phân tích ta khai báo địa vào sau: Bảng 3.5 Khai báo đỉa vào chương trình 3.6.3 Xây dựng chương trình điều khiển Với yêu cầu toán đặt xây dựng chương trình điều khiển gồm phần sau: ❖ Chương trình điều khiển ON, OFF động Ơ network động điều khiển ON, OFF nút ấn, cho tín hiệu Q125.0 điều khiển động ❖ Chương trình tao xung thời gian lấy mấu Ơ network khối SFB4 có nhiệm vụ tạo xung với thời gian lấy định để tạo chương trình ngắt cho khối HSC Ơ chương trình tạo thời gian 100ms để tạo ngắt cho khối HSC đưa xung để tính tốn tốc độ 60 ❖ Chương trình đọc xung tốc độ cao từ encoder HSC Tín hiệu từ encoder hồi tiếp PLC nhờ đếm xung tốc độ cao HSC SFB 47 đọc xử lý tin hiệu Sau đọc xung từ encoder chuyển khối DI_R chuyển đổi liệu số nguyên 32 bit sang số thực, để biến đổi tín hiêu xung đọc 61 ❖ Chương trình chuyển đổi xung tốc độ Sau thực biến đổi xung từ số nguyên số thực ta tiến hành chuyển tới khối nhân số thực 32 bit MUL_R Ở chương trình thực hiên tính tốn chuyển đổi xung sang tốc độ vòng/phút Số vòng = 600 𝑎 𝑛 (vong/ph) Trong đó: a số xung ma encoder đọc 100ms n số xung encoder vịng 62 ❖ Chương trình PID điều khiển tốc độ động Sau thực hiên xong việc đọc xung tính tốn tốc độ động cơ, giá trị tộc độ động chuyển khối PID để so sanh với tốc độ đặt Khi so sánh hai tốc độ khối PID hiệu chỉnh thông số để thực điều chỉnh tốc độ đông tốc độ mong muốn Ơ chương trình PID sử dụng khối điều khiển liên tục với module mềm FB41 63 3.7 Thiết kế chương trình giám sát điều khiển wincc 3.7.1 Chức điều khiển giám sát wincc Wincc hiển thị giám sát thống số động tốc độ quay, tốc độ đặt tham số phần % tốc độ Các thông số PID hiển thị điều chỉnh hệ thống giám sát Chức điều khiển thực nút ấn, điền thông số PID thông số động mong muốn hình giám sát Giao diện phần mềm Wincc flexible Hình 3.11 Giao diện làm việc wincc 3.7.2 Thiết kế giao diện giám sát điều khiển • Tạo kết nối giữu wincc PLC S7- 300 Vào Connection để đặt tham số kết nối hình: Hình 3.12 Tao kết nối với PLC 64 • Khai báo tag cho hệ thống Các thông tin tag: Tên, địa gán, kiểu dưa liệu, thời gian tác động cài đặt hình Hình 3.13 Khởi tao tag hệ thống • Xây dựng giao diện điều khiển Ơ ta tao hệ thống giám sát điều khiển nút ấn hình giám sát nhập, xuất số liệu hình Hình 3.14 Xây dựng hình điều khiển giám sát 65 3.8 Mơ hình giám sát điều khiển tốc độ động không đồng ba pha 3.8.1 Giới thiệu mơ hình Hình 3.15 Sơ đồ mơ hình điều khiển tốc độ động Trên mơ hình gồm có: - Bộ máy tính điều khiển giám sát hệ thống - Bộ PLC S7-300 SIEMEN - Biến tần MM440 SIEMEN - Động không đồng pha - Encoder đọc tốc độ động Việc kết nối hệ thống cần tuân thủ theo lý thuyết nêu chương trên, ngõ vào biến tần PLC phải đấu nối theo chương trình lập trình 3.8.2 Cài đặt vận hành hệ thống ❖ Cài đặt biến tần Bộ biến tần tương thích với động nhờ sử dụng chức cài đặt thông số nhanh, thông số kĩ thuật quan trọng cài đặt Cài đặt nhanh không cần thực thông số định mức động ghi biến tần FU (ví dụ động tiêu chuẩn 1LA cực Siemens) thích hợp với thơng số định mức ghi nhãn động nối vào biến tần Chức thông số cài đặt nhanh: 66 Bắt đầu Thông số Chọn chức P0003 Mức P0004 Tất thông số P0010 Cài đặt nhanh P0100 Châu Âu (KW), tần số mặc định 50Hz P0304 380 (V) (Điện đinh mức đơng ) P0305 3.7 (A) (Dịng định mức) P0307 (kW) (Công suất định mức) P0308 0.82 P0309 0.92 Hiệu suất P0310 50 hz Tần số định mức P0311 1400 (V/pp) Tốc độ định mức P0700 Đầu nối P1000 Điểm đặt tương tự P1082 50 (Hz) Tân số lớn P1120 10 (s) Thơi gian tăng tốc P1121 10 (s) Thời gian giảm tốc P3900 Chế độ nhà máy, thơng số khơng có q trình cài đặt nhanh Kết thúc 3.8.3 Kết nối phần cứng ❖ Đấu nối thiết bị chân cần sử dụng Kết nối máy tính với PLC cáp USB-MPI từ công RS232 để thực nạp chương trình điều khiển giám sát PLC kết nối với biến tần nhờ ngõ vào tương tự số Ngõ Q125.0 PLC nối vào chân tín hiệu biến tần, Ngõ A0 PLC nối với chân điện áp 0V chân đầu vào Analog biến tần 67 Encoder đấu nối với PLC ngõ vào I124.0, I124.1, I124.2 chân tín hiệu A, B, Z encoder Hai chân nguồn encoder đấu vào nguồn 24V PLC Động đấu vào đầu pha biến tần để biến tần điều khiển tốc độ 3.8.4 Vận hành hệ thống kết đạt ❖ Vân hành hệ thống Tiên hành nạp chương trình từ máy tính xuống PLC, chạy quan sát Mở hình giám sát wincc tiến hành cài đặt thông số, vận hành hệ thống ❖ Kết đạt Dưới số kết thực tế điều khiển: Với : Gain : thời gian lấy mẫu : 100 ms Ti : 10 tốc độ tối đa : 1400 Td : Số xung encoder : 3000 Kết thực tế mốt số mức tốc độ khác nhau: ➢ Với tốc độ động 800 V/Ph Hình 3.16 Kết hiển thị lên Wincc với tốc độ 800 v/ph 68 Hình 3.17 Kết hiển thị tốc độ chưa có thơng số PID với 800 v/ph Hình 3.18 Kết hiển tốc độ có thơng số PID với 800 v/ph 69 Ta thấy tốc độ động bám sát đốc độ đặt, tốc độ hiển thi lên Wincc đồ thi PID Gain : thời gian lấy mẫu : 100 ms Ti : 10 tốc độ tối đa : 1400 Td : Số xung encoder : 3000 ➢ Với tốc độ động 800 v/ph Hình 3.19 Kết hiển thị lên Wincc với tốc độ 800 v/ph 70 Hình 3.20 Kết hiển thị PID control với tốc độ 800 v/ph Nhận xét: Với kết đạt ta thấy điều khiển tốt giá trị thực tế bám sát giá trị cài đặt, chưa ổn định đặt giá trị tốc độ bé (