3.2.1 Giới thiệu về PLC
Ngày nay tự động hóa ngày càng đóng vai trò quan trọng đời sống và công nghiệp, tự động hóa đã phát triển đến trình độ cao nhờ những tiến bộ của lý thuyết điều khiển tự động, tiến bộ của ngành điện tử, tin học…Chính vì vậy mà nhiều hệ thống điều khiển ra đời, nhƣng phát triển mạnh và có khả năng ứng dụng rộng là Bộ điều khiển lập trình PLC.
Bộ điều khiển lập trình đầu tiên (Programmable Controller) đã đƣợc những nhà thiết kế cho ra đời năm 1968(Công ty General Motor-Mỹ), với các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứng các yêu cầu điều khiển :
Dễ lập trình và thay đổi chƣơng trình.
Cấu trúc dạng Module mở rộng, dễ bảo trì và sữa chữa. Đảm bảo độ tin cậy trong môi trƣờng sản xuất.
Tuy nhiên hệ thống còn khá đơn giản và cồng kềnh, ngƣời sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành và lập trình hệ thống. Vì vậy các nhà thiết kế từng bƣớc cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành. Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (Programmable controller Handle) đầu tiên đƣợc ra đời vào năm 1969. Điều này đã tạo ra sự phát triển thật sự cho kỹ thuật lập trình. Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ. Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bƣớc tạo ra đƣợc một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, đó là tiêu chuẩn: Dạng lập trình dùng giản đồ hình thang.
Sự phát triển của hệ thống phần cứng từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng :
Số lƣợng ngõ vào, ngõ ra nhiều hơn và có khả năng điều khiển các ngõ vào, ngõ ra từ xa bằng kỹ thuật truyền thông.
Bộ nhớ lớn hơn.
Nhiều loại Module chuyên dùng hơn.
Trong những đầu thập niên 1970, với sự phát triển của phần mềm, bộ lập trình PLC không chỉ thực hiện các lệnh Logic đơn giản mà còn có thêm các lệnh về định thì, đếm sự kiện, các lệnh về xử lý toán học, xử lý dữ liệu, xử lý xung, xử lý thời gian thực..
Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối các hệ thống PLC riêng lẻ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ. Tốc độ của hệ thống
38
đƣợc cải thiện, chu kỳ quét nhanh hơn. Bên cạnh đó, PLC đƣợc chế tạo có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại nhờ vậy mà khả năng ứng dụng của PLC đƣợc mở rộng hơn.
3.2.2 Phân loại PLC
- Theo hãng sản xuất: các nhãn hiệu nhƣ Siemens, Ormon, Mitsubishi, LS, Alenbratlay,… - Theo version:
+ PLC Siemens có các họ nhƣ S7-200, S7-300, S7-400,…
39
Hình 3.3PLC S7-300 của hãng Siemens
40
+ Mitsubishi có các họ nhƣ Alpha, Fx, Fx0, Fx0N,Fx1N, Fx2N,…
Hình 3.5PLC loại ALPHA của hãng Mitsubishi
Đây là loại PLC có kích thƣớc thật nhỏ gọn, phù hợp với các ứng dụng với số lƣợng I/O nhỏ hơn 30 cổng. Dòng ALPHA có màn hình LCD và các phím nhấn cho phép thao tác, lập trình, sửa đổi… chƣơng trình đƣợc tích hợp bên trong bộ đếm tốc độ cao và bộ ngắt (role trung gian), cho phép xử lý tốt một số ứng dụng phức tạp…
Hình 3.6PLC loại Fx1N của hãng Mitsubishi
PLC FX1N thích hợp với các bài toán điều khiển với số lƣợng đầu vào ra trong khoảng 14-60 I/O. Tuy nhiên khi sử dụng các module vào ra mở rộng lên tới 128 I/O
41 Chu kỳ lệnh 0.55us/lệnh
6 bộ đếm tốc độ cao(60KHz), hai bộ phát xung đầu ra với tần số điều khiển tối đa là 100KHz.
Nguốn cung cấp:12-24VDC, 120-240VAC
Nhìn chung, dòng FX1N PLC thích hợp cho các ứng dụng dùng trong công nghiệp chế biến gỗ, trong các hệ thống điều khiển cửa, hệ thống máy nâng, thang máy, sản xuất xe hơi, hệ thống điều hòa không khí trong các nhà kính, hệ thống xử lý nƣớc thải, hệ thống điều khiển máy dệt,…
- Theo số lƣợng các đầu vào/ra:
+ Micro PLC là loại có dƣới 32 kênh vào/ra. + PLC nhỏ có đến 256 kênh vào/ra.
+ PLC trung bình có đến 1024 kênh vào/ra. + PLC lớn có đến trên 1024 kênh vào/ra.
3.2.3 Cấu trúc và hoạt động của PLC
PLC là một thiết bị cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn nhữ lập trình. Toàn bộ chƣơng trình điều khiển đƣợc lƣu nhớ trong bộ nhớ của PLC. Điều này có thể nói PLC giống nhƣ một máy tính, nghĩa là có bộ vi xử lý, một bộ điều hành, bộ nhớ để lƣu chƣơng trình điều khiền, dữ liệu và các cổng ra vào để giao tiếp với các đối tƣợng điều khiển…Nhƣ vậy có thể thấy cấu trúc cơ bản của một PLC bao giờ cũng gồm các thành phần cơ bản sau: mô đun nguồn, mô đun xử lý tín hiệu, mô đun vào, mô đun ra, mô đun nhớ, thiết bị lập trình.
Sơ đồ của một bộ PLC cơ bản đƣợc biểu diễn ở hình bên dƣới. Ngoài các mô đun chính này, các PLC còn có các mô đun phụ trợ nhƣ mô đun kết nối mạng, mô đun truyền thông, mô đun ghép nối các mô đun chức năng để xử lý tín hiệu nhƣ mô đun kết nối với các can nhiệt, mô đun điều khiển động cơ bƣớc, mô đun kết nối với encoder, mô đun đếm xung vào…
42
Hình 3.7Các thành phần cơ bản của PLC
Trạng thái ngõ vào của PLC đƣợc phát hiện và lƣu vào bộ nhớ đệm,(bộ nhớ trong PLC gồm các loại sau: ROM, EPROM, EEOROM PLC ) thực hiện các lệnh logic trên các trạng thái của chúng và thông qua chƣơng trình trạng thái, ngõ ra đƣợc cập nhật và lƣu vào bộ nhớ đệm. Sau đó, trạng thái ngõ ra trong bộ nhớ đệm đƣợc dùng để đóng/mở các tiếp điểm kích hoạt các thiết bị tƣơng ứng. Nhƣ vậy, sự hoạt động của các thiết bị đƣợc điều khiển hoàn toàn tự động theo chƣơng trình trong bộ nhớ. Chƣơng trình đƣợc nạp vào PLC thông qua thiết bị lập trình chuyên dụng.
Bộ vi xử lý sẽ lần lƣợt quét các trạng thái của đầu vào và các thiết bị phụ trợ, thực hiện logic điều khiển đƣợc đặt ra bởi chƣơng trình ứng dụng, thực hiện các tính toán và điều khiển các đầu ra tƣơng ứng của PLC.
Các PLC thế hệ cuối cho phép thực hiện các phép tính số học và các phép tính logic, bộ nhớ lớn hơn, tốc độ xử lý cao hơn và có trang bị giao diện với máy tính, với mạng nội bộ,…Bộ vi xử lý điều khiển chu kỳ làm việc của chƣơng trình. Chu kỳ này đƣợc gọi là chu kỳ quét của PLC, tức là khoảng thời gian thực hiện xong một vòng các lệnh của chƣơng trình điều khiển. Chu kỳ quét đƣợc minh họa ở hình sau :
43
Hình 3.8Chu kỳ quét của PLC
Khi thực hiện quét các đầu vào, PLC kiểm tra tín hiệu từ các thiết bị vào nhƣ công tấc, cảm biến,…Trạng thái của tín hiệu vào đƣợc lƣu tạm thời váo một mảng nhớ. Trong thời gian quét chƣơng trình, bộ xử lý quét lần lƣợt các lệnh của chƣơng trình điều khiển, sử dụng các trạng thái của tín hiệu vào trong mảng nhớ để xác định các đầu ra đáp ứng hay không. Kết quả là các trạng thái của đầu ra đƣợc ghi vào mảng nhớ, PLC sẽ cấp hoặc ngắt điện cho các mạch ra để điều khiển các thiết bị ngoại vi. Chu kỳ quét của PLC có thể kéo dài từ 1 đến 25 mili giây. Thời gian quét đầu vào và đầu ra thƣờng ngắn so với chu kỳ quét của PLC.
3.3 Giới thiệu chung về PLC LS XBC-DR30E
3.3.1 Tại sao lựa chọn PLC LS XBC-DR30E để điều khiển?
- PLC LS hiện nay rất phổ biến trong công nghiệp và việc sử dụng loại PLC này vì ba nguyên nhân:
+ Đáp ứng đƣợc yêu cầu điều khiển một cách ổn định. + Dễ sử dụng, bảo trì hoặc thay thế.
44
Hình 3.9PLC LS XBC-DR30E
Hình 3.10Cấu tạo của PLC LS XBC-DR30E - Các phần chính của PLC này bao gồm theo thứ tự lần lƣợt nhƣ sau:
+ Đèn chỉ thị ngõ vào.
+ Cổng kết nối RS-232C để kết nối PLC với máy tính thông qua cáp chuyên dụng. + Khối ngõ vào.
+ Khối ngõ ra.
45
+ Đèn chỉ thị trạng thái nhƣ có nguồn, hoạt động, có lỗi hay không. + Khối kết nối RS-232C/485.
+ Khối nguồn.
3.3.2 Khối nguồn
Nguồn cung cấp để PLC hoạt động có hiệu điện thế trong phạm vi AC 100~240V. Dòng cung cấp là 0.5A hoặc nhỏ hơn với nguồn 220V và 1A hoặc nhỏ hơn với nguồn 110V. Trong PLC này còn có sẵn một nguồn ra DC 24V, dòng là 0.2A. Khi nguồn đƣợc cung cấp thì đèn PWR báo hiệu có nguồn sáng lên – khối 7 hình 3.10 và tiết diện dây nối nguồn trong khoảng 0.75~2 mm2 .
3.3.3 Khối ngõ vào
Hình 3.11Cấu tạo khối ngõ vào
- Khối ngõ vào có tới 18 cổng và đƣợc cách ly bởi photo coupler, điện áp cung cấp cho ngõ vào là DC24V và dòng khoảng 4mA.
- Mức điện áp/dòng để ngõ vào có trạng thái ON là DC 19V hoặc cao hơn / 3mA hoặc cao hơn. Còn trạng thái OFF thì DC 6V hoặc thấp hơn / 1mA hoặc thấp hơn.
- Trở kháng ngõ vào khoảng 5,6 kΩ, thời gian đáp ứng là 1/3/5/10/20/70/100ms và đƣợc chọn mặc định là 3ms. Khi tiếp điểm ngõ vào ở trạng thái ON thì đèn sẽ hiển thị tại khối 1 nhƣ hình 3.10.
46
3.3.4 Khối ngõ ra
Hình 3.12Cấu tạo khối ngõ ra
PLC này có tới 12 cổng ngõ ra, các cổng này đƣợc cách ly theo kiểu role.Điện áp và dòng cung cấp cho ngõ ra hoạt động có thể là DC 24V 2A hoặc AC 220V 2A, 5A. Điện áp/dòng tối thiểu có thể là DC5V/1mA, điện áp là AC 250V hoặc DC 125V. Tần số đóng ngắt lên tới 3600 lần/giờ, tiết diện cáp chuẩn để nối nguồn trong khoảng 0.3~0/75 mm2. Khi tiếp điểm ngõ ra ở trạng thái ON thì đèn sẽ hiển thị tại khối 6 nhƣ hình 3.10.
3.3.5 Kết nối PLC với PC
- Khi đổ chƣơng trình viết trên PC xuống cho PLC thì chúng ta cần phải kết nối chúng thông qua một cáp chuyên dụng là PMC-301S.
Hình 3.13Cáp chuyên dụng PMC-301S
- Cấu tạo cáp có một đầu là cổng RS-232 loại tròn có sáu chân nhw khối số 2 hình 3.10 nối với PLC và đầu kia là RS-485 loại 9 chân. Khi muốn kết nối vào cổng USB của máy tính thì phải dùng thêm một cáp trung gian chuyển từ kiểu RS-232 sang kiểu USB.
47
Hình 3.14Cấu tạo cáp chuyên dụng PMC-301S
3.4 Giới thiệu chung về biến tần LS SV008iC5-1 3.4.1 Tổng quan về biến tần 3.4.1 Tổng quan về biến tần
Biến tần là một thiết bị điện tử tổ hợp linh kiện điện tử thực hiện chức năng biến đổi tần số và điện áp xoay chiều có tần số nhất định thành dòng điện xoay chiều có tần số điều khiển đƣợc nhờ các khóa điện tử.
Trong biến tần sử dụng các linh kiện điện tử có tính năng thông minh, linh hoạt nhƣ tự động nhận dạng động cơ, tính năng điều khiển tự động, khống chế dòng khởi động giúp quá trình khởi động êm ái, giảm tiếng ồn, giảm thiểu chi phí lắp đặt, gọn nhẹ, tiết kiệm không gian lắp đặt, hệ số khuếch đại công suất lớn, có quán tính nhỏ, các chế độ tiết kiệm năng lƣợng. Sử dụng các biện pháp bảo vệ quá tải, quá nhiệt, quá áp, áp thấp, lệch pha,…của biến tần làm cho động cơ làm việc tin cậy hơn. Tuy nhiên việc sử dụng các linh kiện bán dẫn nên rất nhạy cảm với điều kiện môi trƣờng, nơi làm việc phải thông gió, khô ráo, không bụi bẩn, khí ga,…Biến tần hiện nay có nhiều hãng nhƣ Siemens, Omron, Mitsubishi, LS,…
Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan tới tốc độ động cơ. Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố quan trọng của chất lƣợng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống,…Ví dụ: máy ép nhựa làm đế giày, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nhiên liệu, máy ly tâm định hình khi đúc,…
3.4.2 Giới thiệu Biến tần LS SV008iC5-1
Biến tần này có nhiều chức năng nổi bật nhƣ: Giao tiếp Modbus, điều khiển PID, điều khiển theo vector không cảm biến, tự động dò thông số động cơ,…Trong điều khiển theo
48
vector không cảm biến đƣợc cải tiến không chỉ điều chỉnh đƣợc các đặc tuyến momen mà còn điều chỉnh tốc độ trong điều kiện không ổn định do phụ tải thay đổi.
Thuật toán tự động dò thông số đặt các hệ số động cơ tự động làm cho những cản trở chủ yếu ở tốc độ thấp do sự thay đổi của tải và momen thấp sản sinh để duy trì ổn định. Biến tần có thể chuyển đổi tín hiệu PNP và NPN cho các bộ điều khiển bên ngoài, nó làm việc ở điện áp 24VDC mà không phụ thuộc vào tín hiệu PLC hay thiết bị khác.
Hình 3.15Biến tần LS SV008iC5-1 - Đặc điểm kỹ thuật:
Công suất: 0.75 [kW].
Đầu ra danh định: 3 pha 200 đến 230V với tần số từ 0 đến 400Hz.
Đầu vào danh định: 1 pha 200 đến 230V ( ±10% ) với tần số 50 đến 60Hz ( ±5% ). - Sử dụng phƣơng thức điều khiển V/F, điều khiển theo vector cảm biến, tần số tham chiếu digital là 0.01Hz và analog là 0.06Hz. Tỷ lệ V/F là thẳng, vuông, sử dụng V/F.
- Khả năng chịu quá tải khoảng 1 phút ở 150% và 30s ở 200% với đặc trƣng đảo ngƣợc, tăng momen dùng cả chế tạo bằng tay lẫn tự động.
Phƣơng pháp điều khiển V/F (không gian vecto PWM)
Tỉ lệ V/F Tuyến tính hay do ngƣời sử dụng
Khả năng quá tải 150% trong 1phút, 200% trong 30 giây
49
Tín hiệu đầu vào FX (chạy thuận), RX (chạy nghịch)
RST(reset lỗi), JOG
Đa chức năng đầu vào Tổng cộng 5 đầu vào(lập trình)
Ngõ ra analog 0~10VDC, 4 ~ 20mA
Tín hiệu vào Điều khiển hoạt động Fx, Rx, RST
Tín hiệu ngõ ra
Cài đặt tần số Phím điều khiển, Led hiển thị 3 chữ số, Trạm
nối, Truyền thông ModBus
Tín hiệu khởi động
Analog:0~10VDC ,4~20mA,
Digital:phím điều khiển
Truyền thông: ModBus hoặc LS Bus
Nhiều cấp tốc độ Thuận, Nghịch
Đa cấp thời gian tăng tốc/giảm tốc
Cài đặt đƣợc đến 8cấp tốc độ (sử dụng đầu vào đa chức năng)
Chức năng hoạt
động 0.1~6000s
Dừng khẩn cấp
Điều khiển PID
Tăng tốc/giảm tốc
Giới hạn tần số
Nhảy tần số
Chức năng cài tham số cho motor thứ 2
Tự động Reset lỗi
Chức năng JOG Ngắt tín hiệu ra từ biến tần
Reset lỗi Động cơ chạy đƣợc với tốc độ rất chậm
Trạng thái hoạt
động Có tín hiệu reset lỗi khi chức năng bảo vệ tác động Bảo vệ Thông số hiển thị
Quá áp, quá dòng, mất pha, quá tải, quá nhiệt
Lỗi truyền thông, lỗi CPU
Ngắt Quá tải
50
Hình 3.16Cấu tạo chung của Biến tần
Đầu vào đƣợc nối với hai chân L1. L2 và đầu ra nối tới động cơ ở các chân U, V, W. Biến tần đƣợc nối đất tại chân G, trong quá trình điều khiển có thể sử dụng các đầu vào đa chức năng là P1, P2, P3, P4, P5 hay kết nối với một điện trở ngoài tại các chân VR, VI, I, CM. Để lựa chọn chế độ, cài đặt, điều chỉnh thông số của biến tần có thể dùng bàn phím hay nút KNOB có trên biến tần.
Tƣơng ứng với nhiệm vụ điều khiển động cơ thì trong biến tần sẽ có các nhóm thông số cài đặt và điều khiển nhƣ nhóm biến tần có các thông số cơ bản nhƣ lệnh tần số, thời gian