Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha bằng win cc và plc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA BẰNG WIN CC VÀ PLC Sinh viên thực Lớp : LÊ ANH TUẤN : 54K2 – KTĐK & TĐH Giảng viên hƣớng dẫn : Tháng Năm 2018 ThS Phan Văn Dƣ MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU TÓM TẮT ĐỒ ÁN ABSTRACT CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Mục đích 1.2 Giới thiệu động không đồng pha 1.2.1 Khái niệm công dụng 1.2.2 Cấu tạo .3 1.2.3 Nguyên lí làm việc .5 1.3 Giới thiệu PLC S7-300 .6 1.4 Cảm biến vận tốc encoder 10 1.4.1 Khái niệm: 10 1.4.2 Nguyên lý hoạt động 11 1.4.3 Phân loại encoder : 11 1.5Giới thiệu Win CC 12 1.5.1 Khái niệm : .12 1.5.2 Các thành phần winCC: .12 1.6 Phƣơng pháp giám sát điều khiển tốc độ động cơ: 13 1.6.1 Các phƣơng pháp điều khiển tốc độ động 13 1.6.2 Phƣơng pháp đo tốc độ động .17 CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TRÊN WIN CC VÀ S7-300 18 2.1 Phân tích hệ thống: 18 2.1.1 Sơ đồ hệ thống giám sát điều khiển: 18 2.1.2 Phân tích yêu cầu hệ thống: 19 2.1.3 Thiết bị sử dụng hệ thống: 19 2.1.3.1 Biến tần Siemen MM440 19 2.1.3.2 ENCODER E50S8-3000-3-T-24 23 CHƢƠNG : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VA GIÁM SÁT TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TRÊN WIN CC VÀ S7-300 25 3.1 Bộ điều khiển PID : .25 3.1.1 Hàm truyền đạt 25 3.1.2 Biến đổi điều khiển PID 26 3.1.3 Tổng quan phƣơng pháp 27 3.1.4 Modul mềm PID PLC_S7-300 .31 3.2 Lập trình Step : 35 3.2.1 Lƣu đồ thuật toán : 35 3.2.2 Lâp trình Step 36 3.3 Thiết kế chƣơng trình giám sát điều khiển WIN CC : 41 3.3.1 Chức nhiệm vụ WIN CC: 41 3.3.2 Khai báo Tag: 41 3.3.3 Thiết kế khối giao diện điều khiển: 41 3.4 Cài đặt biến tần : 42 3.5 Kết nối phần cứng .43 3.6 Vận hành hệ thống kết quả: 43 3.6.1 Vận hành hệ thống: 43 3.6.2 Kết .44 KẾT LUẬN CHUNG 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1:Đặc tính khác khối bề CPU S7-300 .7 Bang 1.2: Một số đặt tính kỹ thuật số CPU S7-300 Bảng 2.1: Các hông số kỹ thuật biến tần Siemens MM440 .21 Bảng 2.2 Các đầu vào Siemens MM440 22 Bảng 3.1: Các phƣơng pháp điều chỉnh PID 29 Bảng 3.2: Tác động việc tăng thông số độc lập PID 30 Bảng 3.3: Thông số phƣơng pháp Ziegler-Nichols 31 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Cấu tạo động không đồng pha Hình 1.2: Cấu tạo Stato .4 Hình 1.3: Dây quấn kiểu roto quấn dây Hình 1.4: Dây quấn kiểu roto lồng sóc .5 Hình 1.5: CPU S7-300 Hình 1.7: Hình ảnh module mở rộng thực tế Hình 1.8: Ghép nối module mở rộng PLC S7-300 Hình 1.9: Kết nối chuẩn mạng PROFIBUS DP Hình 1.10 : Cấu tạo encoder 11 Hình 1.11 Sơ đồ đặc tính điều chỉnh 14 Hình 1.12 Thay đổi số đôi cực bằngnối tổ dây quấn 15 Hình 1.13 Đổi nối dây quấn stato động 15 Hình 1.14: Sơ đồ đặc tính .16 Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống 18 Hình 2.2: Biến tần Mircomaster 440 20 Hình 2.3 : Hình ảnh encoderE50S8-3000-3-T-24 .23 Hình 3.1 Biểu đồ đáp ứng điều chỉnh dùng PID 26 Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc module mềm FB41 33 Hình 3.3 Thuật điều khiển PID 34 Hình 3.4 : Lƣu đồ thuật toán .35 Hình 3.5 :Bảng symbols Step .36 Hình 3.6: Bảng khai báo Tag Win CC 41 Hình 3.7: Các khối giao diện giám sát điều khiển WINCC 41 Hình 3.8: Kết Win CC tốc độ đặt 300 .44 Hình 3.9: Kết PID control tốc độ đặt 300 44 Hình 3.10: Kết WIN CC tốc độ đặt 500 45 Hình 3.11: Kết PID controlkhi tốc độ đặt 500 45 Hình 3.12: Kết Win CC tốc độ đặt 900 .46 Hình 3.13: Kết PID control tốc độ đặt 900 .46 LỜI NÓI ĐẦU Đất nƣớc ta đƣờng tiến lên đất nƣớc cơng nghiệp hóa đạihóa Để đạt đƣợc mục tiêu tự động hóa q trình sản xuất vấn đềquang trọng, then chốt để phát triển kinh tế đất nƣớc Ngày việc ứng dụng thiết bị tiên tiến với công nghệ cao vào việc đolƣờng điều khiển tính tốn, nhƣ sản xuất vô cần thiết mộttrong thiết bị thông minh PLC loại thiết bị cho phép thực linh hoạtcác thuật toán điều khiển số thơng qua ngơn ngữ lập trình, thay cho việc phải thểhiện thuật tốn mạch số, góp phần vào việc nâng cao suất lao độngđồng thời đẩy mạnh lĩnh vực tự động điều khiển phát triển tƣơng lai Trong đề tài ứng dụng PLC giám sátvà điều khiển tốc độ động cơđ ã tạo điều kiện tốt cho chúng em đƣợc thực hành kiến thức trƣờng vàhọc hỏi để phát triển thêm Cùng với giúp đỡ tận tình giảng viên ThS Phan Văn Dƣ em hoàn thành nhiệm vụ đƣợc giao rút vấn đề cần thiết việc điều khiển tốc độ động Để đạt đƣợc kết nhƣ ngày hôm em xin chân thành cảm ơn giảng viên ThS Phan Văn Dư tận tình hƣớng 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 Lê Anh Tuấn TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án “ Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển tốc độ động không đồng pha WIN CC PLC” vấn đề thực tế, quan trọng cần thiết lĩnh vực công nghiệp, trình sản xuất, đồ án giải phần vấn đề Để giải vấn đề cần cần hiểu PLC, biến tần, đông cơ, encoder phần mềm hỗ trợ lập trình cho hệ thống Win CC Step Trong nội dung đồ án giải vấn đề khối lập trình Step module PID giúp hệ thống hoạt động mềm mƣợt ổn định Chế độ giám sát điều khiển đƣợc thực giao diện Win CC Đồ án đƣợc xây dựng thiết bị mơ hình cho kết thực tế ABSTRACT This project “Design three- phrase asynchronous motor speed monitoring and control system by WIN CC and PLC” is important, necessary and reality problem in industry, Production This project will resolve this problems In oder to resolve this project, we need to understand about PLC, threephrase asynchronous motor,inverter, engine, encoder and software that supports programming for the system WIN CC and Step This project will resolve problems by using steps software to program and using algorithm controlling PID in PLC The system is ovesaw and controlled in Win CC software program Project was designed by actual device and have actual results CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Mục đích Hiện nghành công nghiệp ứng dụng tự động hóa vào cácq trình sản xuất nhằm tạo suất cao, hạ giá thành sảm phẩm, giảm sức laođộng ngƣời Việc ứng dụng PLC vào điều khiển q trình cơng nghệ đãlàm cho cơng việc thiết kế, lắp đặt, giám sát trở lên đơn giản đem lại hiệu quảcao PLC có khả lập trình đƣợc trình phức tạp, sửa đổi chƣơng trìnhdễ dàng Ứng dụng PLC biến tần động đƣợc sử dụng nhiều, giúpcho việc điều khiển động phù hợp với yêu cầu sử dụng, tiết kiệm dƣợc nănglƣợng Trong đề tài đề cập đến việc ứng dụng PLC cho hệ thống đo điều khiểntốc độ động 1.2 Giới thiệu động không đồng pha 1.2.1 Khái niệm công dụng - Khái niệm: Động xoay chiều ba pha có tốc độ quay roto (n) nhỏ tốc độ quay (n1) từ trƣờng dòng điện cấp cho động đƣợc gọi động không đồng ba pha - Công dụng: Đƣợc sử dụng rộng rãi công nghiệp, nông nghiệp đời sống (vì có cấu tạo đơn giản, kích thƣớc nhỏ gọn, vận hành đơn giản) 1.2.2 Cấu tạo - Gồm phận stato rơto; - Ngồi cịn có vỏ máy, nắp máy Hình 1.1: Cấu tạo động không đồng pha +) Stato (phần tĩnh) Hình 1.2: Cấu tạo Stato - Gồm lõi thép dây quấn: a Lõi thép: gồm lõi thép kĩ thuật điện ghép lại thành hình trụ, mặt có rãnh dây quấn b Dây quấn: Dây quấn stato động không đồng ba pha dây đồng đƣợc phủ sơn cách điện, gồm ba pha dây quấn AX, BY CZ đặt rãnh stato theo quy luật định Sáu đầu dây ba pha dây quấn đƣợc nối hộp đấu dây (đặt vỏ động cơ) để nhận điện vào +) Roto (phần quay a Lõi thép: làm thép kĩ thuật điện, mặt xẻ rãnh, có lỗ để lắp trục, ghép lại thành hình trụ b Dây quấn: có kiểu: - Dây quấn kiểu quấn dây - Dây quấn kiểu roto lồng sóc Hình 1.3: Dây quấn kiểu roto quấn dây Hình 1.4: Dây quấn kiểu roto lồng sóc 1.2.3 Ngun lí làm việc Khi cho dịng ba pha vào ba dây quấn stato động cơ, trog stato có từ trƣờng quay Từ trƣờng quay quét qua dây quấn roto, làm xuất suất điện động dòng điện cảm ứng Lực tƣơng tác điện từ từ trƣờng quay dòng điện cảm ứng tạo momen quay tác động lên roto, kéo roto quay theo chiều quay từ trƣờng với tốc độ n < n1 (n1 tốc độ từ trƣờng quay) Tốc đọ quay từ trƣờng đƣợc tính cơng thức: n1  60 f p n1 : Tốc độ quay từ trƣờng f: Tần số P: Số đôi cực từ Hệ số trƣợt S: Là chậm tƣơng đối Roto từ trƣờng S n2 n n 100%  100% n1 n1 S=0.02  0.06 n: Tốc độ quay Roto tham trị P_SEL,I_SEL, hay D_SEL mà tích hợp thuật điều khiển khác từ lấy mẫu nhƣ thuật điều khiển P, PI, PID Hình 3.3 Thuật điều khiển PID Đặt giá trị: Phần mềm cho phép chọn chế độ tự động (automatic mode) chế độ tay Ở chế độ tay giá trị biến đƣợc chọn tay Bộ tích phân (INT) tự thiết lập chế độ LNM_LNM, P-DISV vi phân (DIF) tự động Điều đảm bảo cho việc chuyển chế độ từ thiết bị lập giá trị tay chế độ tự động không gây nên biến đổi đột ngột biến đƣợc thiết lập giá trị tay 34 3.2 Lập trình Step : 3.2.1 Lưu đồ thuật tốn : Hình 3.4 : Lƣu đồ thuật tốn 35 3.2.2 Lâp trình Step 3.2.2.1 Đặt tên gán địa bit : Hình 3.5 :Bảng symbols Step 3.2.2.2 Xây dựng chương trình LAD  Chƣơng trình điều khiển ON, OFF động Network điều khiển ON/OFF động Q125.0  Chƣơng trình tao xung thời gian lấy mấu Network tạo thời gian 1s để tạo ngắt cho khối HSC đƣa xung để tính tốn tốc độ 36  Chƣơng trình đọc xung tốc độ cao từ encoder HSC Tín hiệu từ encoder đƣợc hồi tiếp PLC nhờ đếm xung tốc độ cao HSC SFB 47 đọc xử lý tin hiệu Sau đọc đƣợc xung từ encoder chuyển khối DI_R chuyển đổi liệu số nguyên 32 bit sang số thực, để biến đổi tín hiêu xung đọc đƣợc 37  Chƣơng trình chuyển đổi xung tốc độ Sau thực biến đổi số xung số thực ta tiến hành chuyển tới khối nhân số thực 32 bit MUL_R Ta có cơng thức tính số vịng phút: Số vịng = (vong/ph) Trong đó: a số xung ma encoder đọc đƣợc 1s n số xung encoder vịng 38  Chƣơng trình PID điều khiển tốc độ động Sau thực hiên xong việc đọc xung tính tốn đƣợc tốc độ động cơ, giá trị tộc độ động đƣợc 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 nhƣ tốc độ mong muốn Ơ chƣơng trình PID sử dụng khối điều khiển liên tục với module mềm FB41 39 - COM_RST: có chức khởi tạo lại hệ thống hồn tịan đầu vào”complete restart” đựơc thiết lập giá trị logic TRUE - PVPER_ON: đọc biến trình từ cổng vào/ra đầu vào PV_PER phải đƣợc nối với cổng vào/ra đầu vào “process variable peripheral” có giá trị logic True - P_SELL: Hoạt động dk PID tích cực khơng tích cực phần riêng thuật dk PID , thuật dk tỉ lệ đc kích hoạt giá trị logic True đƣợc thiết lập cổng vào “proportional action on” - I_SELL: Hoạt động dk PID tích cực khơng tích cực phần riêng thuật dk PID , thuật dk tỉ lệ đc kích hoạt giá trị logic True đƣợc thiết lập cổng vào “proportional action on” - CYCLE: Thời gian lấy mẫu khoảng thời gian không đổi lần khối đƣợc cập nhật - SP_INT: Gía trị tốc độ động - MAN: Tốc độ đặt - GAIN: giá trị gain -Ti: giá trị Ti -Td: Giá trị Td 40 3.3 Thiết kế chƣơng trình giám sát điều khiển WIN CC : 3.3.1 Chức nhiệm vụ WIN CC: Wincc hiển thị giám sát thống số động nhƣ tốc độ quay, tốc độ đặt Các thông số PID đƣợc hiển thị điều chỉnh hệ thống giám sát 3.3.2 Khai báo Tag: Hình 3.6: Bảng khai báo Tag Win CC 3.3.3 Thiết kế khối giao diện điều khiển: Hình 3.7: Các khối giao diện giám sát điều khiển WINCC 41 Trên giao diện điều khiển gồm có: - động pha - đèn báo động hoạt động - khối điều khiển để điều chỉnh thông số PID - khối đặt tốc độ động - khối hiển thị tốc độ động 3.4 Cài đặt biến tần :  Cài đặt biến tần Bộ biến tần tƣơng thích với động nhờ sử dụng chức cài đặt thông số nhanh, thông số kĩ thuật quan trọng đƣợc cài đặt Cài đặt nhanh không cần đƣợc 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: Bắt đầu Chọn chức Thông số 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 tƣơng tự P1082 50 (Hz) Tân số lớn P1120 10 (s) Thơi gian tăng tốc 42 P1121 10 (s) Thời gian giảm tốc P3900 Chế độ nhà máy, thông số q trình cài đặt nhanh Kết thúc 3.5 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 chƣơng trình điều khiển giám sát PLC đƣợc kết nối với biến tần nhờ ngõ vào tƣơng tự số Ngõ Q125.0 PLC đƣợc nối vào chân số 28 đất chân tín hiệu biến tần, Ngõ A0 PLC đƣợc nối với chân chân đầu vào Analog biến tần Encoder đƣợc 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 đƣợc đấu vào đầu pha biến tần để biến tần điều khển tốc độ 3.6 Vận hành hệ thống kết quả: 3.6.1 Vận hành hệ thống: - Bƣớc 1: Đặt thông số PID Ở ta lựa chọn: Gain: TI :8 TD : -Bƣớc 2: Đặt giá trị tốc độ động mong muốn Ta đặt theo giá trị tăng dần: 300 - 500 – 900 43 3.6.2 Kết * Tốc độ đặt 300: Hình 3.8: Kết Win CC tốc độ đặt 300 Hình 3.9: Kết PID control tốc độ đặt 300 Tốc độ động sai lệch lơn Chƣa bám sát ổn định 44 * Tốc độ đặt 500: Hình 3.10: Kết WIN CC tốc độ đặt 500 Hình 3.11: Kết PID controlkhi tốc độ đặt 500 Tốc độ động bị sai lệch, độ bám tăng dần nhƣng chƣa tốt chƣa ổn định 45 * Tốc độ đặt 900: Hình 3.12: Kết Win CC tốc độ đặt 900 Hình 3.13: Kết PID control tốc độ đặt 900 Tốc độ động gần xác, độ bám tốt ổn định Kết luận:Khi đặt tốc độ bé 500 độ sai lệch lớn thiếu ổn định Khi đo tốc độ cao độ xác độ ổn định tăng dần 46 KẾT LUẬN CHUNG Qua trình làm đồ án tốt nghiệp đề tài :GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA BẰNG WIN CC PLC S7- 300, với hƣớng dẫn giúp đỡ Thầy giáo T.s Phan Văn Dƣ em hoàn thành đồ án Với kết có đƣợc q trình làm đồ án em rút đƣợc kết luận sau:  Các vấn đề thu đƣợc: - Cách đấu nối thiết bị điều khiển - Đã tìm hiểu rõ cách lập trình cho PLC s7-300 Các khối hàm chƣơng trình nhƣ HSC, PWM, xuất xung dạng PQW PLC - Cách thiết kế giao diện WIN CC nút điều khiển, xuất nhập giá trị thơng số lên PLC - Tìm hiểu đƣợc lý thuyết module PID Step  Các vấn đề cịn hạn chế: - Chƣa tìm hiểu sâu luật điều khiển PID nhiều cách khác Chƣa tìm đƣợc thơng số tối ƣu - Tốc độ đặt tốc độ tốc độ thực tế chƣa đạt đƣợc độ bám độ ổn đinh cao (