tần số cao tác động vào hệ thống. 0 1 . ( ) . ( ) t I W Kp e e d T τ τ τ = + ∫ (2.4) Với: e(τ ) = TS –T0
Ki = Kp/TI, TI là thời hằng tích phân của bộ điều khiển PI
Hình 2.6: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PI) với P = 1
Khâu hiệu chỉnh PI làm cho sai số xác lập của hệ thống đối với tín hiệu vào là hàm nấc bằng 0. Tuy nhiên khâu hiệu chỉnh PI lại làm cho hệ thống kém ổn định do làm tăng thời gian xác lập.
Dựa trên đáp ứng quá độ của hệ thống khi giảm thời hằng tích phân TI thì độ vọt lố của hệ thống càng cao, hệ thống càng chậm xác lập. Vậy hằng số thời hằng tích phân TI ta nên cho giá trị lớn nhằm hạn chế độ vọt lố. Tuy vậy khi TI bằng hằng số thì ảnh hưởng của P đến chất lượng của hệ thống chính là ảnh hưởng của khâu khếch đại, P càng tăng thì độ vọt lố càng cao, tuy nhiên thời gian quá độ lại không thay đổi.
Bộ điều khiển PID được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế để điều khiển nhiều loại đối lập, với đầu vào thay đổi theo hàm nấc sẽ gây ra vọt lố và trong vài trường hợp là không chấp nhận được đối với mạch động lực. Sự có mặt của khâu vi phân tỉ lệ (PD) làm giảm độ vọt lố và đáp ứng ra bớt nhấp nhô hơn và hệ thống sẽ đáp ứng nhanh hơn. Khâu tích phân tỉ lệ(PI) có mặt trong hệ thống sẽ dẩn đến sai lệch tĩnh triệt tiêu( hệ vô sai). Muốn tăng độ chính xác ta phải tăng hệ số khuếch đại, song với mọi hệ thống thực đều bị hạn chế và sự có mặt của khâu PI là bắt buộc. Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ (PID) kết hợp những ưu điểm của khâu PI và PD, có khả năng tăng độ dự trử pha ở tần số cắt, khử chậm pha. Sự có mặt PID ở vòng hồi tiếp có thể dẩn đến sự dao động trong hệ do đáp ứng quá độ bị vọt lố bởi hàm Dirac δ(t).Các bộ hiệu chỉnh PID được ứng dụng nhiều trong công nghiệp dưới dạng thiết bị điều khiển hay thuật toán phần mềm.
Do sự thông dụng của nó nên nhiều hãng sản xuất thiết bị điều khiển đã cho ra đời các bộ điều khiển thương mại rất thông dụng.
Thực tế các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID dùng quỹ đạo nghiệm số, giản đồ Bode hay phương pháp giải tích rất ít được sử dụng do việc khó khăn trong xây dựng hàm truyền đối tượng. Phương pháp phổ biến nhất để chọn tham số PID thương mại hiện nay là phương pháp Ziegler-Nichols.
Hình 2.7: Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID có hàm truyền liên tục như sau:
1 ( ) i 1 p d p D I K G s K K s K T s s T s = + + = + + ÷ (2.5)
Với các giá trị Kp, Ki, Kd là các hằng số thực.
Phương trình vi tích phân mô tả sự tương quan giữa tín hiệu ra u(t) với tín hiệu sai lệch e(t) của bộ điều khiển PID là:
∫ + + = K e t dt dt t de K t e K t u( ) P. ( ) D. ( ) I. ( ). (2.6)
Trong đó: e(t) là sai lệch trong hệ thống e(t) = r(t) – c(t). r(t) và c(t) là tín hiệu vào và đáp ứng ra của hệ thống.
Vấn đề thiết kế là cần xác định giá trị Kp, Ki, Kd sao cho thoả mãn các yêu cầu về chất lượng.
Đối tượng khác nhau như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ, mực chất lỏng trong bồn chứa,… Lý do bộ điều khiển này được sử dụng rộng rãi là vì nó có khả năng triệt tiêu sai số xác lập, tăng đáp ứng quá độ, giảm độ vọt lố nếu các tham số bộ điều khiển được chọn lựa thích hợp.
Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ (P) được đưa vào hệ thống nhằm làm giảm sai số xác
2.4.5. ứng dụng điều khiển PI trong biến tần
Trong hầu hết các dòng biến tần của các hãng, đặt biệt các dòng dành cho ứng dụng bơm/ quạt điều tích hợp sẵn các bộ điều khiển PI hoặc PID điều này làm cho người sử dụng dễ thiết kế và vận hành hệ thống hơn. Đối với các ứng dụng đối tượng có quán tính nhỏ như áp suất,lưu lượng, mức nước … thì chỉ cần sử dụng bộ điều khiển PI là đủ.Với các đối tượng có quán tính lớn như nhiệt độ…thì phải sử dụng bộ điều khiển PID.
Đối tượng điều khiển trong đề tài là mức nước vì vậy nhóm sẽ sử dụng chức năng PI có sẵn trong biến tần để ổn định mức nước qua đó cũng cố gắng sử dụng hết các chức năng biến tần hỗ trợ cho các ứng dụng bơm/ quạt.
CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
3.1. Vấn đề điều khiển lưu lượng của bơm 3.1.1. Điều khiển theo kiểu truyền thống
Bơm sẽ được cấp nguồn trực tiếp . Bơm luôn hoạt động ở chế độ định mức.
Việc thay đổi lưu lượng thông thường dùng van tiết lưu Nhận xét :
- Tăng trở kháng đường ống .
- Lưu lượng giảm nhưng công suất tiêu hao giảm rất ít Ví dụ :
Khi ta dùng valve tiết lưu để giảm lưu lượng bơm xuống còn 80% so với định mức. Theo bình thường thì với 20% lưu lượng giảm đi thì công suất tiêu tốn cũng giảm đi một lượng đáng kể,nhưng cụ thể ở đây chỉ năng lương tiêu tốn là khoảng 95% (chỉ giảm 5% công suất trên 20% lưu lượng giảm).
3.1.2. Điều khiển bằng biến tần
Bơm ,quạt được cấp nguồn qua biến tần.
Bơm có thể hoạt động ở các chế độ khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu.
Việc thay đổi lưu lượng được thực hiện thông qua việc thay đổi tốt độ động cơ.
- Không còn tổn thất năng lượng trên valve như kiểu truyền thống.
- Bơm cũng không phải sinh ra công suất trên trục lớn hơn nhu cấu thực tế để chống lại sức càn trên valve.
Ví dụ:
Khi dùng biến tần điều khiển bơm,nếu ta muốn giảm lưu lượng xuống 80% so với định mức.Ta chỉ cần điều chỉnh biến tần để giảm tốc độ động cơ xuống.Quan hệ giữa moment tải và tốc độ động cơ (với tải bơm quạt) là:
M=n2 (3.1) Công suất: P=M×n (3.2) P≈ n3 (3.3) Nếu ta giảm tốc độ xuống còn 80% (0.8) thì công suất chỉ cần bằng (0.8)3≈ 0.5 Điều này cho ta thấy rằng bơm sẽ chỉ hoạt động với 50% công suất định mức là có thể đạt được 80% lưu lượng dẫn đến tiết kiệm điện.
3.2. Đặc tính của bơm
Là mối quan hệ giữa áp suất và lưu lượng .Họ đặc tính của bơm khi tốc độ bơm thay đổi được trình bày như hình sau.
Hình 3.1 Họ đường cong đặc tính bơm
3.3. Điểm làm việc của tải bơm
Điểm làm việc của bơm là giao điểm của đường cong của bơm và đường cong của hệ thống. Ta xét động cơ có tốc độ định mức là n= 1480 RPM.
3.3.1. Dùng van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng
Hình 3.2 Điểm làm việc của bơm dùng van tiết lưu
Công suất tổn hao đối với hệ thống dùng van tiết lưu.
3.3.2. Dùng biến tần thay đổi tốc độ động cơ
Hình3.4 Điểm làm việc của bơm dùng biến tần
3.4. Tính toán công suất bơm
Công suất bơm được tính bằng tích của lưu lượng nhân với áp suất. Đây chính là diện tích trên đường đặc tuyến. Ta có công thức tính công suất như sau: xét lưu lượng Q tính theo (m3 /s)
P = (d * H * Q) / k (3.4) Với:
d: Khối lượng riêng của chất được bơm (kg/m3) . H: Độ cao cột áp cần bơm (m) .
Q: lưu lượng bơm (m3/s) .
k: Tỷ số giữa công suất đầu ra với công suất trên trục của bơm.
3.5. So sánh dùng van và dung biến tần
- Dùng valve tiết lưu:
việc thay đổi độ đóng mở của valve. Điều này sẽ gây tổn hao năng lượng khi chạy ở lưu lượng thấp (tải bơm)
- Dùng biến tần:
Toàn bộ hệ thống bơm quạt sẽ được điều khiển thông qua biến tần. Áp suất của toàn hê thống không đổi với mọi lưu lượng (cảm biến áp suất trên đường ống phản hồi thông số về cho biến tần). Với phương pháp điều khiền U/f , điều khiển vector ,do đó tốc độ có thể thay đổi một cách linh hoạt. Dòng khởi động được hạn chế sẽ không gây sụt áp khi khởi động sẽ không ảnh hưởng đến các thiết bị khác. Quá trình stop ,start được mềm hóa nên giảm tổn hại cho động cơ về mặt cơ khí, cho hệ truyền động cũng như về mặt điện. Chi phí bảo dưỡng giảm. Không giới hạn số lần khởi động . Tiết kiệm năng lượng khi tải thay đổi liên tục.
4.1. Tổng quan về giao thức USS
Giao thức USS (Universal Serial Interface Protocol) định nghĩa một kiểu truy cập theo nguyên tắc master-slave cho thông tin liên lạc thông qua bus nối tiếp .Giao thức USS là kiểu truyền thông của Siemens dành riêng cho PLC S7-200 và biến tần của hãng. Qua giao thức này 1 PLC có thể điều khiển tối đa một mạng gồm 32 biến tần, Dạng kết nối là điểm-điểm. Ta có thể điều khiển toàn bộ các chức năng của biến tần thông qua mạng này, ngoài ra còn còn có thể giám sát được dòng điện, điện áp, tốc độ, hướng quay...dựa vào các lệnh trong thư viện USS cho mỗi biến tần. Chi phí cho mạng này là thấp và tối ưu nhất cho các ứng dụng nhỏ và vừa.
Để sử dụng được giao thức này yêu cầu biến tần phải được hỗ trợ giao thức USS, phần mềm step7-micorowin phải cài đặt thư viện USS. Sử dụng port 0 của PLC để kết nối USS ,khi đã chọn port 0 cho truyền thông USS không sử dụng port 0 với bất kì mục đích khác .Vì vậy để thực hiện việc giám sát hệ thống cần lựa chọn PLC có 2 port truyền thông ,cụ thể trong luận văn sử dụng PLC s7200 -224xp. Các giá trị của các lệnh USS yêu cầu 400 byte của vùng nhớ V của PLC ,vì vậy trước khi lập trình phải khai báo vùng nhớ V và khi lập trình không sử dụng lại vùng nhớ này.
S7-200 và biến tần được kết nối truyền thông USS qua cáp RS485.Chân số 3 port 0 của PLC kết nối với chân 14(P+) của biến tần ,chân số 8 nối với chân 15(N-).
4.2. Cấu trúc bức điện 4.2.1. Tổng thể
Mỗi bức điện bắt đầu với kí tự STX (=02hex) tiếp theo là chiều dài khối dữ liệu (LGE) và byte địa chỉ (ADR). Bức điện kết thúc bằng kí tự (BBC).
Trong đó:
- STX: là một byte ASCII (02hex) được sử dụng để biết bắt đầu một kí tự.
- LEG: Quy định chiều dài khối dữ liệu.Khối dữ liệu được chia làm 2 khu vực PKW( tham số ID-giá trị khu vực) PZD (xử lí dữ liệu)
- BBC: là một byte kiểm tra xác nhận tin nhắn đã được sử dụng. Nếu biến tần nhận được một tin nhắn không hợp lí thì biến tần sẽ không trả lời.
Hình 4.1 Cấu trúc tổng thể bức điện
Cấu tạo khối dữ liệu
Hình 4.2 Cấu tạo khối dữ liệu
PKW: chứa dữ liệu thông số PKE: chứa yêu cầu, thông số
IND: chứa giá trị mở rộng thông số và giá trị index PWE: chứa giá trị yêu cầu.
PZD: chứa word điều khiển word giám sát STW: chứa word điều khiển.
ZSW: chứa word giám sát HSW: chứa điểm đặt tần số. HIW: chứa giá trị tần số thực tế.
Đối với MM420 chỉ hỗ trợ loại bức điện PPO1 và PPO3.
Vùng PKW bao gồm 4 word, word 1 chứa tham số PKE, word 2 chứa tham số IND, word 3 và 4 chứa tham số PWE
- Tham số PKE:
Có độ dài 1 word
Hình 4.3 Cấu trúc PKE
Từ bit 0 tới bit 10 chứa số của thông số, bit 11 không được sử dụng, từ bit 12 tới bit 15 được dùng để yêu cầu đọc hay viết thông số tới biến tần.
Bảng 4.1 Ý nghĩa của tham số AK
AK Ý nghĩa
0 Không yêu cầu 1 Đọc tham số 2 Viết tham số word
3 Viết tham số double word 4 Yêu cầu mô tả ý nghĩa
6 Yêu cầu đọc giá trị tham số là 1 mảng 7 Viết tham số dạng mảng có độ dài 1 word 8 Viết tham số dạng mảng có độ dài double word 9 Yêu cầu số lượng mảng thực hiện
11 Viết tham số ở dạng mảng có độ dài 1 word và lưu vào EEPROM 12 Viết tham số ở dạng mảng có độ dài double word và lưu vào EEPROM 13 Viết tham số ở dạng mảng có độ dài 1 word từ và lưu vào EEPROM
14 Viết tham số ở dạng mảng có độ dài double word và lưu vào EEPROM Thường ta chỉ sử dụng AK=0, 1, 2, 3
Bảng 4.2 Ý nghĩa tham số AK trong bức điện trả lời
AK Ý nghĩa 0 Không trả lời
1 Chuyển giá trị tham số word
2 Chuyển giá trị tham số double word 3 Chuyển phần tử mô tả
4 Chuyển giá trị tham số ở dạng mảng có độ dài word
5 Chuyển giá trị tham số ở dạng mảng có độ dài double word 6 Chuyển số lượng mảng phần tử
7 Không thực hiện được yêu cầu
8 Không có trạng thái điều khiển master cho giao diện PKW - Tham số IND
Có độ dài 1 word.Từ bit 0 tới bit 7 chứa giá trị index, bit 8 tới bit 11 không sử dụng, bit 12 tới bit 15 chứa giá trị mở rộng thông số
Bảng 4.3 Mở rộng thông số