Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị điện qua tin nhắn sms

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ  - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ BĂNG TẢI NHÀ MÁY XI MĂNG BẰNG WICC VÀ PLC Giảng viên hướng dẫn : TH.S PHAN VĂN DƯ Sinh viên thực : NGUYỄN BÁ TRƯỜNG Mã số sinh viên : 135D5202160074 Lớp : 54K2 - KTĐK & TĐH Nghệ An 06 - 2018 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU TÓM TẮT ĐỒ ÁN ABSTRACT CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Giới thiệu nhà máy xi măng 1.1.1 Cơ cấu tổ chức nhà máy xi măng hoàng mai 1.1.2 Các công đoạn nhà máy xi măng 1.2Giới thiệu động không đồng pha 1.2.1Khái niệm công dụng 1.2.2 Cấu tạo 1.2.3 Nguyên lí làm việc 1.3 Giới thiệu PLC S7-300 1.4 Cảm biến vận tốc encoder 13 1.4.1 Khái niệm: 13 1.4.2 Nguyên lý hoạt động 14 1.4.3 Phân loại encoder : 14 1.5 Giới thiệu Win CC 14 1.5.1 Khái niệm : 14 1.5.2 Các thành phần winCC: 15 1.6 Phương pháp giám sát điều khiển tốc độ động cơ: 16 1.6.1 Các phương pháp điều khiển tốc độ động 16 1.6.2 Phương pháp đo tốc độ động 20 CHƯƠNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ BĂNG TẢI 21 2.1 Phân tích hệ thống: 21 2.1.1 Sơ đồ hệ thống giám sát điều khiển: 21 2.1.2 Phân tích yêu cầu hệ thống: 22 2.1.3 Thiết bị sử dụng hệ thống: 22 2.1.3.1 Biến tần Siemen MM420 22 2.1.3.2 ENCODER E50S8-3000-3-T-24 25 2.2 Sơ đồ đấu nối phần cứng: 26 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VA GIÁM SÁT TỐC ĐỘ BĂNG TẢI TRÊN WIN CC VÀ S7-300 28 3.1 Bộ điều khiển PID : 28 3.1.1 Hàm truyền đạt 28 3.1.2 Biến đổi điều khiển PID 29 3.1.3 Tổng quan phương pháp 30 3.1.4 Modul mềm PID PLC_S7-300 34 3.2 Lập trình Step : 37 3.2.1 Giãn đồ grafcet : 37 3.2.2 Lâp trình Step 38 3.3 Thiết kế chương trình giám sát điều khiển WIN CC : 43 3.3.1 Chức nhiệm vụ WIN CC: 43 3.3.2 Khai báo Tag: 43 3.3.3 Thiết kế khối giao diện điều khiển: 43 3.4 Cài đặt biến tần : 44 3.5 Kết nối phần cứng 45 3.6 Vận hành hệ thống kết quả: 45 3.6.1 Vận hành hệ thống: 45 3.6.2 Kết 46 KẾT LUẬN CHUNG 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1:Đặc tính khác khối bề CPU S7-300 Bang 1.2: Một số đặt tính kỹ thuật số CPU S7-300 10 Bảng 2.1: Các hông số kỹ thuật biến tần Siemens MM420 23 Bảng 2.2 Các đầu vào Siemens MM420 25 Bảng 3.1: Các phương pháp điều chỉnh PID 32 Bảng 3.2: Tác động việc tăng thông số độc lập PID 33 Bảng 3.3: Thông số phương pháp Ziegler-Nichols 34 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ cấu tổ chức nhà máy xi măng Hình 1.2 Sơ đồ sản xuất xi măng Hình 1.3Cấu tạo Stato Hình 1.4 Dây quấn kiểu roto quấn dây Hình 1.5 Dây quấn kiểu roto lồng sóc Hình 1.6 CPU S7-300 Hình 1.7 Hình ảnh module mở rộng thực tế 10 Hình 1.8 Ghép nối module mở rộng PLC S7-300 11 Hình 1.9 Kết nối chuẩn mạng PROFIBUS DP 11 Hình 1.10 Cấu tạo encoder 14 Hình 1.11 Sơ đồ đặc tính điều chỉnh 16 Hình 1.12 Thay đổi số đơi cực bằngnối tổ dây quấn 17 Hình 1.13 Đổi nối dây quấn stato động 18 Hình 1.14Sơ đồ đặc tính 18 Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống 21 Hình 2.2 Biến tần Mircomaster MM420 22 Hình 2.3 Hình ảnh encoderE50S8-3000-3-T-24………… 26 Hình 2.4 Sơ đồ đấu nối phần cứng………… 26 Hình 3.1 Sơ đồ khối điều khiển PID 29 Hình 3.2 Biểu đồ đáp ứng điều chỉnh dùng PID 29 Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc module mềm FB41 35 Hình 3.4 Thuật điều khiển PID 37 Hình 3.5 Giãn đồ grafcet 37 Hình 3.6 Bảng symbols Step 38 Hình 3.7Bảng khai báo Tag Win CC 43 Hình 3.8 Các khối giao diện giám sát điều khiển WINCC 43 Hình 3.9 Kết Win CC tốc độ đặt 400 46 Hình 3.10 Kết PID control tốc độ đặt 400 46 Hình 3.11 Kết WIN CC tốc độ đặt 600 47 Hình 3.12 Kết PID controlkhi tốc độ đặt 600 47 Hình 3.13 Kết Win CC tốc độ đặt 999 48 Hình 3.14Kết PID control tốc độ đặt 999 48 LỜI NÓI ĐẦU Đất nước ta đường tiến lên đất nước công nghiệp hóa đạihóa Để đạt mục tiêu tự động hóa q trình sản xuất vấn đềquan trọng, then chốt để phát triển kinh tế đất nước Ngày việc ứng dụng thiết bị tiên tiến với công nghệ cao vào việc đolường điều khiển tính tốn, sản xuất vô cần thiết mộttrong thiết bị thông minh PLC loại thiết bị cho phép thực linh hoạtcác thuật tốn 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 tương lai Trong đề tài ứng dụng PLC giám sátvà điều khiển tốc độ động cơđã tạo điều kiện tốt cho chúng em thực hành kiến thức trường vàhọc hỏi để phát triển thêm.Cùng với giúp đỡ tận tình giảng viên ThS.Phan Văn Dư em hoàn thành nhiệm vụ giao rút vấn đề cần thiết việc điều khiển tốc độ động Để đạt kết ngày hôm em xin chân thành cảm ơn giảng viên ThS.Phan Văn Dư 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 Nguyễn Bá Trường TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án “ Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển tốc độ băng tải nhà máy xi măngbằng WIN CC PLC” vấn đề thực tế, quan trọng cần thiết lĩnh vực cơng nghiệp, q trình sản xuất, đồ án giải phần vấn đề Để giải vấn đề cần cần hiểu PLC, biến tần, động 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 mượt ổn định Chế độ giám sát điều khiển thực giao diện Win CC Đồ án xây dựng thiết bị mơ hình cho kết thực tế ABSTRACT The project "Designing a system for monitoring and controlling the speed of cement plant loading by WIN CC and PLC" is a very practical, important and necessary issue in the fields of industry, This project will solve part of this problem To solve this problem we need to understand the PLC, inverter, coil, encoder and software supporting the system is Win CC and Step In the project content has solved this problem The programming blocks in Step and the PID module make the system smooth and stable Monitor mode and control are implemented on Win CC interface The project is built on equipment and models that give real results CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Giới thiệu nhà máy xi măng Là đơn vị thành viên Tổng công ty Công nghiệp xi măng Việt Nam (VICEM) với Vicem Hoàng Thạch, Vicem Bỉm Sơn, Vicem Hà Tiên,… Công ty Cổ phần xi măng Vicem Hoàng Mai thành lập vào ngày 07 tháng 10 năm 1995, nhà máy khởi công xây dựng từ tháng 6/1999 vào hoạt động sản xuất kinh doanh từ tháng năm 2002 Để cạnh tranh hội nhập phát triển môi trường cạnh tranh quốc tế, thực chủ trương đổi doanh nghiệp quản lý doanh nghiệp, Công ty xi măng Hồng Mai cổ phần hóa thức tổ chức Đại hội đồng cổ đông lần thứ vào ngày 03 tháng 03 năm 2008 Nhà máy xi măng Vicem Hồng Mai có cơng suất 1,26 triệu Clinker năm tương đương với 1,4 triệu xi măng năm, sản xuất xi măng theo phương pháp khơ, lị quay hãng FCB (Cộng hịa Pháp) chuyển giao công nghệ phương pháp đồng Trụ sở nhà máy đặt Thị xã Hồng Mai thuộc vùng kinh tế Nam Thanh Bắc Nghệ, với vị trí thuận lợi giao thơng đường sắt, thủy, bộ, có nguồn nguyên liệu chất lượng cao, dồi 1.1.1 Cơ cấu tổ chức nhà máy xi măng hoàng mai Cơ cấu tổ chức nhà máy xi măng hoàng mai đươc cấu cách phù hợp để đáp ứng nhu cầu làm việc củng điều hành cơng ty cách hiệu Hình 1.1 Sơ đồ cấu tổ chức nhà máy xi măng 1.1.2 Các công đoạn nhà máy xi măng Hình 1.2 Sơ đồ sản xuất xi măng để có sản phẩm cuối cần phải trải qua sáu giai đoạn chính: Tách chiết ngun liệu thơ Nghiền, phân chia theo tỉ lệ, trộn lẫn Giai đoạn trước cho vào lò Giai đoạn lò Giai đoạn làm mát giai đoạn nghiền hồn chỉnh Đóng bao vận chuyển Giai đoạn 1: tách chiết nguyên liệu thô Xi măng sử dụng nguyên liệu thô gồm : canxi, silic, sắt, nhơm Những thành phần có đá vơi, đất sét cát Xi măng có hỗn hợp cát đất sét với tỉ lệ nhỏ Và đương nhiên cát đất sét đáp ứng nhu cầu silic, sắt nhôm Thông thường nhà máy sản xuất ximăng đặt khu vực gần núi đá vôi để tiết kiệm chi phí giúp giảm phần giá thành xi măng Nguyên liệu thô tách chiết từ núi đá vơi sau thơng qua băng chuyền vận chuyển đến nhà máy Ngồi cịn có nhiều ngun liệu thơ khác sử dụng q trình sản xuất xi măng Ví dụ đá phiến, tro bay, vảy thép cán bô xitnhững nguyên liệu thô mang lại từ nhiều nguồn khác lượng yêu cầu nhỏ Trước vận chuyển đến nhà máy khối lớn nghiền nhỏ ra, làm cho kích thước đá tương đương với kích thước viên sỏi Giai đoạn 2: phân chia tỉ lệ,trộn lẫn nghiền Nguyên liệu hơ từ quặng chuyển đến phịng thí nghiệm nhà máy, giúp nhà máy phân tích, phân chia tỉ lệ xác đá vôi đất sét trước bắt đầu nghiền.Theo tỉ lệ thơng thường 80% đá vơi 20% đất sét Và đến nhiệm vụ nhà máy nghiền hỗn hợp nhờ vào lăn quay bàn xoay Bàn xoay quay liên tục lăn lăn tiếp xúc trực tiếp với hỗn hợp Con lăn nghiền hỗn hợp thành bột mịn lăn hồn thành nhiệm vụ Hỗn hợp ngun liệu thơ dự trữ đường ống sau nghiền hỗn hợp thành bột mịn Giai đoạn 3: trước nung Sau nghiền hoàn chỉnh, nguyên liệu đưa buồng trước nung Buồng chứa chuỗi buồng xoáy trục đứng , nguyên liệu thơ qua vào lị nung Buồng trước nung tận dụng nhiệt tỏa từ lò, việc làm giúp tiết kiệm lượng khiến cho nhà máy thân thiện với môi trường Giai đoạn 4: giai đoạn lò Lò lớn xoay coi phần quan trọng trình sản xuất xi măng Trong lị nhiệt độ lên tới 14500C Nhiệt độ đạt bắt nguồn từ phản ứng hóa học gọi phản ứng khử Cacbon phản ứng cịn thải khí CO2 Nhiệt độ cao lò làm cho nguyên liệu nhão Chuỗi phản ứng hóa học Ca SiO2 tạo thành phần xi măng (CaSiO3) Lị nhận nhiệt từ bên ngồi nhờ khí tự nhiên FB41 “CONT_C” sử dụng để điều khiển q trình kỹ thuật với biến đổi đâu vào tương tự trên, sở thiết bị khả trình Simatic Tronh thiết lập tham số tịch cực hay khơng tích cực, số thành phần chức điều khiển PID cho phù hợp với đối tượng Module mềm PID bao gồm tín hiệu chủ đạo SP_INT, tín hiệu đối tựơng PV_PER , tín hiệu giả để mơ tín hiệu đối tượng PV_IN , biến trung gian trình thực luật thuật điều khiển PID PVPER_ON, P_SEL, I_SEL, D_SEL, MAN_ON Tín hiệu chủ đạo SP_INT nhập dạng số thực dấu phẩy động Tín hiệu đối tượng PV_PER: Thơng qua hàm nội FB41 có tên CRP_IN, tín hiệu đối tượng đựơc nhập dạng số nguyên có dấu số thực dấu phẩy động Chức CRP_IN chuyển đổi kiểu biểu diễn PV_PER từ dạng số nguyên sang số thực dấu phẩy động có giá trị nằm khoảng -100 đến 100% theo cơng thức: Tín hiệu CRP_IN = PV_PER*100/27648 Chuẩn hóa: chức hàm chuẩn hóa PV_NORM tín hiệu đối tượng chuẩn hóa tín hiệu hàm CRP_IN theo cơng thức: Tín hiệu PV_NORM=(tín hiệu CRP_IN) * PV_FAC_OFF Hai tham trị khống chế giải giá trị cho phép PV_NORM PV_FAC PV_OFF Mặc định PV_FAC hàm PV_NORM có giá trị PV_OFF có giá trị 0.Lọc nhiễu tác động lân cận điểm làm việc.Tín hiệu sai lệch hiệu tín hiệu chủ đạo tín hiệu đối tượng Nó tạo FB41 đầu vào khối DEADBAND đối tượng mà bỏ qua ảnh hưởng nhiễu lân cận điểm làm việc ta chọn DEAD_W = ❖ Chọn luật điều khiển module FB41 (CONT_C) Hình vẽ mơ tả thuật PID thiết kế theo kiểu song song thuật điều khiển đơn lẻ: tỉ lệ P, tích phân I vi phân D theo sơ đồ cấu trúc (sau khối DEADBAND) Chính cấu trúc song song nên ta thơng qua tham trị P_SEL,I_SEL, hay D_SEL mà tích hợp thuật điều khiển khác từ lấy mẫu thuật điều khiển P, PI, PID 36 Hình 3.4 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 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 thiết lập giá trị tay 3.2 Lập trình Step 3.2.1 Giãn đồ grafcet Hình 3.5 Giãn đồ grafcet 37 3.2.2 Lâp trình Step 3.2.2.1 Đặt tên gán địa bit Hình 3.6 Bảng symbols Step 3.2.2.2 Xây dựng chương trình LAD ❖ Chương trình điều khiển ON, OFF động Network điều khiển ON/OFF động Q125.0 ❖ Chương trình tao xung thời gian lấy mấu Network tạo thời gian 1s để tạo ngắt cho khối HSC đưa xung để tính tốn tốc độ 38 ❖ 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 39 ❖ Chương 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 = 60 𝑎 𝑛 (vong/ph) Trong đó: a số xung ma encoder đọc 1s n số xung encoder vòng 40 ❖ Chương trình PID điều khiển tốc độ động Sau thực hiên xong việc đọc xung tính toán 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 41 - 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 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 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 thiết lập cổng vào “proportional action on” - CYCLE: Thời gian lấy mẫu khoảng thời gian không đổi lần khối 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 42 3.3 Thiết kế chương trình giám sát điều khiển WIN CC 3.3.1 Chức nhiệm vụ WIN CC Wincc hiển thị giám sát thống số động tốc độ quay, tốc độ đặt Các thông số PID hiển thị điều chỉnh hệ thống giám sát 3.3.2 Khai báo Tag Hình 3.7 Bảng khai báo Tag Win CC 3.3.3 Thiết kế khối giao diện điều khiển Hình 3.8Các khối giao diện giám sát điều khiển WINCC 43 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 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: 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 tương tự P1082 50 (Hz) Tân số lớn P1120 10 (s) Thơi gian tăng tốc 44 P1121 10 (s) Thời gian giảm tốc P3900 Chế độ nhà máy, thông số khơng có 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 cơng 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 số 28 đất chân tín hiệu biến tần Ngõ A0 PLC nối với chân chân đầu vào Analog biến tần 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 khển tốc độ 3.6 Vận hành hệ thống kết 3.6.1 Vận hành hệ thống - Bước 1: Đặt thông số PID Ở ta lựa chọn Gain: TI :8 TD : -Bước 2: Đặt giá trị tốc độ động mong muốn Ta đặt theo giá trị tăng dần 400 - 600 – 999 45 3.6.2 Kết * Tốc độ đặt 400 (V/P) Hình 3.9Kết Win CC tốc độ đặt 400 (V/P) Hình 3.10 Kết PID control tốc độ đặt 400 (VP) 46 Tốc độ động sai lệch lớn Chưa bám sát ổn định * Tốc độ đặt 600 (V/P) Hình 3.11Kết WIN CC tốc độ đặt 600 (V/P) Hình 3.12Kết PID controlkhi tốc độ đặt 600 (V/P) Tốc độ động bị sai lệch, độ bám tăng dần chưa tốt chưa ổn định 47 * Tốc độ đặt 999 (V/P) Hình 3.13Kết Win CC tốc độ đặt 999 (V/P) Hình 3.14Kết PID control tốc độ đặt 999 (V/P) 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 48 KẾT LUẬN CHUNG Qua trình làm đồ án tốt nghiệp đề tài:THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ BĂNG TẢI NHÀ MÁY XI MĂNG BẰNG WIN CC PLC ,với hướng dẫn giúp đỡ Thầy giáo Th.s Phan Văn Dư em hoàn thành đồ án Với kết có q trình làm đồ án em rút kết luận sau • Các vấn đề thu - Cách đấu nối thiết bị điều khiển - Đã tìm hiểu rõ cách lập trình cho PLC s7-300 Các khối hàm chương trình HSC, PWM, xuất xung dạng PQW PLC - Cách thiết kế giao diện WIN CC nút điều khiển, xuất nhập giá trị thông số lên PLC - Tìm hiểu lý thuyết module PID Step • Các vấn đề cịn hạn chế - Chưa tìm hiểu sâu luật điều khiển PID nhiều cách khác Chưa tìm thơng số tối ưu - Tốc độ đặt tốc độ tốc độ thực tế chưa đạt độ bám độ ổn đinh cao (