kính.
Qua khảo sát quá trình cán kính liên tục, ta có danh mục điểm cần đo lường, điểm điều khiển và giám sát sau:
Bảng 1.1 Danh mục điểm đo lường
STT Vị trí Dải đo Loại tínhiệu I/O
1 Áp suất nước qua trục Upper-roller
0-3,5 bar AI 2 Áp suất nước qua
trục Lower-roller
Bảng 1.2 Danh mục nút nhấn trên tủ điều khiển ST T Nút nhấn Mô tả Loại tín hiệu I/O 1 Nút dừng khẩn cấp Dùng để dừng khẩn cấp hệ thống DI
2 Nút Auto Chạy chế độ auto DI
3 Nút Manual Chạy chế độ manual DI
4 ON 3 motor cùng chạy DI
5 OFF Dừng 3 motor DI
6 ON1 Chạy motor 1 DI
7 ON2 Chạy motor 2 DI
8 ON3 Chạy motor 3 DI
9 OFF1 Dừng motor 1 DI
10 OFF2 Dừng motor 2 DI
11 OFF3 Dừng motor 3 DI
12 UP Tăng vận tốc 3 motor DI
13 UP1 Tăng vận tốc motor 1 DI
14 UP2 Tăng vận tốc motor 2 DI
15 UP3 Tăng vận tốc motor 3 DI
16 DOWN Giảm vận tốc 3 motor DI
17 DOWN1 Giảm vận tốc motor 1 DI
18 DOWN2 Giảm vận tốc motor 2 DI
19 DOWN3 Giảm vận tốc motor 3 DI
Bảng 1.3 Danh mục đèn báo trạng thái hoạt động
ST T Đèn Báo trạng thái Loại tín hiệu I/O 1 Dừng Hệ thống dừng hoạt động DO 2 Auto Chế độ vận hành auto DO 3 Man Chế độ vận hành manual DO
4 ON1 Motor 1 chạy DO
5 OFF1 Motor 1dừng DO
6 ON2 Motor 2 chạy DO
8 ON3 Motor 3 chạy DO
9 OFF3 Motor 3 dừng DO
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 2.1 Phương án điều khiển
Qua khảo sát và phân tích, ta có phương án điều khiển:
- PLC làm trung tâm, nhận tín hiệu phản hồi, xử lý bằng thuật toán và đưa ra tín hiệu điều khiển. PLC này được kết nối với máy tính để giám sát, điều chỉnh tốc độ của các trục.
- Sử dụng biến tần để điều khiển động cơ, biến tần kết nối với PLC để nhận tín hiệu điều khiển tốc độ động cơ. Biến tần gửi tốc độ motor về PLC để theo dõi thông số.
DO DI AI I/O RS485 Cảm biến áp suất PC PLC
Biến tần 1 Biến tần 2 Biến tần 3
Motor 1 Motor 2 Motor 3
Tủ điều khiển Nút nhấn điều khiển
Đèn báo trạng thái hooạt độn
1.1 Tính toán số lượng I/O
Từ danh mục điểm cần đo lường, Danh sách nút nhấn trên tủ và danh sách đèn báo trên tủ. Ta có bảng số lượng I/O cùng với nguyên tắc dự phòng 40%.
Bảng 2.4 Số lượng I/O
AI (0-10V) DI DO
Sử dụng 2 19 9
Dự phòng 1 8 4
Tổng cộng 3 24 13
2.2 Bộ điều khiển trung tâm - PLC
Bộ điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Controller, viết tắt: PLC) hay còn gọi là bộ điều khiển lập trình, được các hãng sản xuất thiết kế và kiểm định thỏa mãn các tiêu chuẩn nhất định trong công nghiệp để phù hợp với môi trường hoạt động theo yêu cầu. PLC có ngôn ngữ lập trình xác định như LAD, STL, FPD nên dù có nhiều hãng sản xuất PLC nhưng cách lập trình lại gần như nhau nên tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình lập trình
PLC là bộ điều khiển nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hoặc với máy tính). Toàn bộ chương trình được lưu trong bộ nhớ dưới dạng khối chương trình (OB, FC, FB…) và được thực hiện với chu kỳ quét. Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC phải có các khối hàm chức năng như Timer, Counter và các hàm chức năng đặc biệt khác.
Hiện nay, có các hãng sản xuất PLC nổi tiếng và phổ biến như: Siemen, Mitsubishi, Omron có PLC ở các phân khúc khác nhau như:
- Mini PLC - có thể điều khiển từ 15 đến 128 điểm I/O: Logo ( Siemens) ; ZEN ( Omron); Zeilo ( Schneider).
- Micro PLC - điều khiển từ 128 đến 512 điểm I/O: S7-200, S7-1200 ( Siemens); MELSEC FX Series (Mitsubishi ); Twido ( Schneider); CP1H ( Omron).
- Great PLC - có thể thực hiện tới trên 512 điểm I/O : S7-300, S7-400, S7-1500 ( Siemens); CJ1M ( Omron) ; MELSEC Q , MELSEC A (Mitsubishi).
Tuy nhiên, Siemen là hãng sản xuất PLC đã có mặt ở Việt Nam từ lâu, hỗ trợ thiết bị cho nhiều trường đại học để giảng dạy và được khá nhiều trường học lựa chọn là hãng thiết bị để sinh viên tiếp cận, học. Ngoài ra, trong các nhà máy
sản xuất hiện nay chủ yếu sử dụng PLC của hãng Seimens do vậy khả năng tiếp cận thiết bị PLC Siemen dễ dàng và thuận lợi hơn.
Các dòng Siemen có mặt ở Việt Nam hiện nay như:
- S7-200: dòng sản phẩm trung bình có ứng dụng cho các dự án với I/O khoảng 128.
- S7-300 và S7-400: là dòng sản phẩm cao cấp cho các dự án vừa đến lớn, có số lượng I/O lớn, viết bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau, thời gian đáp ứng nhanh.
- S7-1500: là dòng sản phẩm nâng cấp của S7 - 300, S7- 400 vừa được ra mắt trong thời gian gần đây với những ưu điểm vượt trội. S7- 1500 có truyền thông profinet với giắc cắm RJ 45, đây là loại giắc cắm tiện dụng, phổ biến nhưng lại có độ bền cơ học không cao bằng giắc cắm chuẩn RS 485 của S7 – 300.
- S7-1200: là dòng sản phẩm nâng cấp của S7-200, tích hợp sẵn giắc cắm RJ45 cho truyền thông qua cổng Ethernet có thể kết nối PC-PLCs, PLCs- HMI, PLCs-PLCs. Tốc độ truyền thông profinet 10/100Mbits/s, tích hợp tính năng đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình.
Hình 2.23 PLC S7-1200
Từ bảng số lượng I/O, em chọn dùng bộ điều khiển trung tâm trong hệ thống là PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC.
Bảng 2.5 [ CITATION Sie \l 1033 ]Thông số cơ bản PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC Đặc trưng Mô tả Dòng sản phẩm CPU 1214C DC/DC/DC Nguồn cung cấp Nguồn 24 VDC
Giới hạn dưới cho phép 19.2 VDC Giới hạn trên cho phép 28.8 VDC Bảo vệ nguồn cung cấp
ngược
Có
Số lượng tối đa mô đun mở rộng 3 mô đun truyên thông, 1 signal board,
8 mô đun tín hiệu
Số lượng ngõ vào số 14
Số lượng ngõ vào tương tự 2 (0 - 10VDC)
Số lượng ngõ ra số 10
Bộ điều khiển PID 16
Kiểu truyền thông PROFINET
Chuẩn bảo vệ IP20
Bộ đếm tốc độ cao High Speed Counter HSC
6
Ngôn ngữ lập trình LAD,FBD,SCL
Nhận thấy số lượng DI, DO , AI của PLC S7-1200 1214 DC/DC/DC là 14 DI, 10 DO, 2 AI, so sánh với bảng số lượng I/O có số DI, DO, AI lần lượt là 24 DI, 13 DO, và 3 AI.
Số đầu vào số, đầu vào tương tự và đầu ra số của PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC chưa đáp ứng được yêu cầu số lượng I/O. Nên em chọn thêm bộ module sau :
2.2.1 SIMATIC S7-1200, Digital I/O SM 1223
Hình 2.24 [ CITATION Sie \l 1033 ]Module S7-1200 SM 1223
Bảng 2.6 Thông số module mở rộng SM1223
Đặc trưng Mô tả
Model 6ES7223-1BL32-0XB0
Số kết nối DI 16 x 24 VDC,
DO 16 x 24 VDC
Nguồn cung cấp 24 VDC
Giới hạn dưới cho phép 20.4 VDC Giới hạn trên cho phép 28.8 VDC
Kiểu đầu ra Transitor
Trọng lượng 0,31 (kg)
2.2.2 SIMATIC S7-1200 ngõ vào tương tự (AI) SM 1231
Hình 2.25 Module S7-1200 SM 1231 Bảng 2.7 Thông số mudule S7-1200 SM 1231
Đặc trưng Mô tả
Model 6ES7231-5ND32-0XB0
Số kết nối 4 AI
Độ phân giải 16 bit Nguồn cung cấp 24 VDC
Giá trị ngõ vào Điện áp: ±10V, ±5, ±2.5V, ±1.25V Dòng điện: 4 to 20 mA, 0 to 20 mA
Trọng lượng 0,165 (kg)
Kích thước 45 x 100 x 75 mm
2.2.3 Module truyền thông CB 1241 RS485
Để có thể giao tiếp với biến tần qua chuẩn truyền thông RS485 thì PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC cần module CB 1241.
Hình 2.26 Sơ đồ chân CB 1241 RS485
Bảng 2.8 Thông số CB 1241 RS485
Thông tin chung
Kiểu CB 1241 RS485
Dòng điện vào từ backplane bus 5 VDC
50 mA,
Cổng giao tiếp Kết nối point-to-point Số lượng bit cho mỗi ký
tự
7 hoặc 8
Số lượng bit dừng 1 (tiêu chuẩn) hoặc 2
Parity 0 = 8 NONE 1,
1 = 8 NONE 2, 2 = 8 EVEN
Chuẩn bảo vệ IP20
2.3 Bộ điều khiển động cơ – Biến Tần
Trong đồ án có sử dụng các động cơ:
Motor 1 3kw 3 pha 380V điều khiển trục cán trên Upper-roller, Motor 2 3kw 3 pha 380V điều khiển trục cán dưới Lower-roller
Ba động cơ này cần thay đổi tốc độ trong quá trình vận hành. Sử dụng biến tần để điều khiển tốc độ động cơ giúp quá trình khởi động và dừng động cơ êm dịu, giúp kéo dài tuổi thọ của động cơ và các cơ cấu cơ khí.
Hiện nay, có các hãng sản xuất biến tần nổi tiếng và phổ biến như: Mitsubishi, Fuji, LS, INVT, Siemens, ABB, Schneider…. Nhưng em tin dùng biến tần của ABB ACS550 do:
Ở cùng mức công suất thì nhìn chung biến tần ABB nhỏ gọn hơn, được tích hợp đa dạng về tính năng giúp giảm không gian lắp đặt và đi cáp. Đặc điểm độ bền tỏ rõ sự vượt trội trong môi trường bụi bặm, khắc nghiệt.
Chạy bền bỉ, ít hỏng hóc vặt qua đó giảm được chi phí bảo dưỡng, bảo trì. Tính năng upload/ download bộ tham số cài đặt từ biến tần này sang biến
tần khác qua bàn phím rời giúp tiết kiệm thời gian.
Trang bị sẵn các Macro lựa chọn nhanh cấu hình theo mục đích sử dụng. Tính năng dừng an toàn tránh tự khởi động sau khi mất điện / có điện Biến tần ABB ACS550 được thiết kế rất dễ dàng lựa chọn, cài đặt , chạy
thử và vận hành.
2.3.1 Chọn cộng suất biến tần
Để chọn được công suất của biến tần điều khiển động cơ ta lấy công suất động cơ nhân thêm hệ số k (1 < k <2).
Trục cán 1 (Upper-roller) được điều khiển bởi Motor số 1, có thông số 3kw 3 pha 380V, tốc độ đầu ra 7 vòng/phút. Tần số 50 Hz.
Trục cán 2 (Lower-roller) được điều khiển bởi Motor số 2, có thông số 3kw 3 pha 380V tốc độ đầu ra 7 vòng/phút. Tần số 50 Hz.
Trục cán 1 thuộc tải nặng, nên ta chọn k=1,5 Trục cán 2 thuộc tải nặng, nên ta chọn k=1,5. Công suất biến tần cần tính toán thiết kế.
Kw PT 2.1
Ta chọn ACS550-01-012A-4 5.5Kw cho biến tần 1. . và ACS550-01-012A-4 5.5Kw cho biến tần 2
Bộ con lăn dẫn động (Flowoff-line) được điều khiển bởi Motor giảm tốc 2.2kw 3 pha 380V, tốc độ đầu ra 15 vòng/phút. Tần số 50 Hz.
Bộ con lăn dẫn động thuộc tải nhẹ, ta chọn k=1,2. Công suất biến tần cần thiết kế
PT 2.2
Hình 2.27 Biến tần ABB ACS 550
Bảng 2.9 [ CITATION htt1 \l 1033 ]Thống số cơ bản của ACS 550
Đặc tính thiết bị
Công suất ACS550-01-012A-4 5.5 kW (7.5 Hp) ACS550-01-06A9-4 3kW (4HP) Nguồn điện ngõ vào 3 pha 380V Hệ số công suất 0.98 Chế độ điều khiển
Chế độ điều khiển vector Đặc điểm
I/O
6 đầu vào số ( DI ) 2 đầu vào analog ( AI ) 3 đầu ra relay ( NO + NC) 2 đầu ra analog ( AO ) Tích hợp
sẵn
Bộ lọc EMC
Bộ điều khiển phanh hãm (tới 11kW) Bo mạch phủ (Coated boards) Bộ lọc cảm kháng loại bỏ sóng hài Chức năng hỗ trợ khởi động, hỗ trợ bảo trì. Cấp bảo vệ IP21 Truyền thông RS485
2.3.2 Kết nối biến tần với PLC
Hình 2.29 Sơ đồ kết nối biến tần với PLC
2.3.3 Cài đặt thông số giao tiếp cho biến tần
Bảng 2.10 Bảng cài đặt thông số giao tiếp cho biến tần
Tham số
Cài đặt
9802 1 (STD MODBUS )
5302 Địa chỉ biến tần. Biến tần 1 1 Biến tần 2 2 Biến tần 3 3 5303 Cài đặt Baud rate (9.6 kbits/s)
5304 Cài đặt Parity, tham số phải giống nhau cho toàn bộ các biến tần trong mạng ( 0 = 8 none 1 ) 5305 Chọn cấu hình ( 2 = ABB DRV FULL ) 5310 0102 ( tốc độ động cơ ) 5311 0103 ( output freq) 5312 0104 (current) 5313 0109 ( output_voltage)
2.3.4 Cài đặt các tham số biến tần để giao tiếp thông qua Modbus
Bảng 2.11 Cài đặt tham số biến tần để giao tiếp qua Modbus
Drive parameter Value Mô tả
1001 EXT1 COMMAND S 10(COMM) Sử dụng Modbus làm nguồn khởi động/dừng động cơ EXT1 1002 EXT2 COMMAND S 10(COMM) Sử dụng Modbus làm nguồn khởi động/dừng động cơ EXT2 1003 DIRECTION 3(REQUEST ) Sử dụng Modbus làm nguồn đảo chiều động cơ
1102 EXT1/EXT2 SEL
8(COMM) Sử dụng Modbus để lựa chọn EXT1 hoặc EXT2 1103 REF1
SELLECT
8(COMM) Sử dụng Modbus điểu chỉnh reference 1 ( điều chỉnh tốc độ động cơ ) 1106 REF2
SELECT
8(COMM) Sử dụng Modbus điểu chỉnh reference2 1601 RUN
ENABLE
7(COMM) Tín hiệu cho phép biến tần khởi động
1604 FAULT RESET SEL
8(COMM) Reset lại biến tần sau khi biến tần giải quyết lỗi xong
1.1.1 Giao thức Modbus RTU
2.3.4.1. Khái niệm Modbus:
Modbus là một cách để các thiết bị công nghiệp điện tử giao tiếp với nhau. Nó cho phép thông tin được truyền qua các đường nối tiếp giữa các thiết bị điện tử. Các thiết bị có thể yêu cầu thông tin, cũng như cung cấp nó.
Các thiết bị yêu cầu thông tin sử dụng Modbus được gọi là Modbus Master; các thiết bị cung cấp thông tin Modbus được gọi là Modbus Slaves. Trong mạng Modbus tiêu chuẩn có 1 Master và nhiều nhất 247 Slaves. Mỗi Slave có một địa chỉ duy nhất của riêng chúng.
- Trong công nghiệp - tự động hoá có 03 loại Modbus thông dụng là Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP/IP:
• Modbus RTU: mã hoá dạng nhị phân với 1 byte dữ liệu và một byte truyền thông có tốc độ truyền 1200 – 115200 baud/s. Tốc độ phổ biến nhất là 9600, 38400 hay 115200 baud/s. Đây là giao thức truyền thông lí tưởng đối với RS232 hay RS485.
• Modbus ASC II: đươc mã hoá dạng hexadecimal – 4 bit, cần 2 byte truyền thông cho một byte thông tin.
• Modbus TCP/IP: Modbus TCP là modbus qua Ethernet(RJ45). Với Modbus TCP, dữ liệu Modbus được tóm lược đơn giản trong một gói TCP/IP. Nói một cách đơn giản, đây như là một thông điệp của Modbus RTU được truyền bằng trình bao bọc TCP/IP và được gửi qua mạng thay vì các đường nối tiếp. Máy chủ không có SlaveID vì nó sử dụng địa chỉ IP.
2.3.4.2. Phân biệt chuẩn truyền thông RS232 và RS485:
Chuẩn RS232:
Hình 2.30 Chuẩn truyền thông RS 232
RS232 còn được gọi là cổng COM thường được thấy trong các máy tính bàn và tất cả đều có cổng truyền thông theo chuẩn RS232 để giao tiếp các thiết bị khác như máy in, máy fax…
RS232 sử dụng 3 dây Tx (truyền tín hiệu), Rx (nhận tín hiệu) và GND (đất). RS232 hoạt động dựa trên sự chênh lệch áp giữa TX, Rx và GND.
- Đặc điểm:
• Khoảng cách truyền tối đa là 15m.
• Mức logic 1 có điện áp nằm trong khoảng -3V đến -12V, • Mức logic 0 từ 3V đến 12V.
• Tốc độ truyền là 20Kbps.
• Hỗ trợ kết nối điểm – điểm (point – to – point). - Nhược điểm:
• Không thể truyền đi xa do mất mát tín hiệu và không có khả năng phục hồi lại.
• Việc kết nối các thiết bị theo chuẩn RS-232 chỉ được thực hiện trong phạm vi 2 thiết bị nên rất hạn chế nếu ta dùng đến nhiều thiết bị.
Chuẩn RS485:
Giao thức truyền tải dữ liệu của RS485 là truyền dẫn cân bằng. Hệ thống truyền dẫn cân bằng bao gồm có hai dây tín hiệu A, B, sử dụng sự chênh lệch áp giữa A và B theo logic 0 hoặc 1. Điều này đảm bảo tín hiệu truyền đi xa, bởi khi có trường hợp sụt áp thì đồng thời hai dây đều sụt áp, nên tín hiệu vẫn đảm bảo logic 1 hoặc 0.
Hình 2.31 Chuẩn RS 485
Hình 2.32 Sự chênh lệch áp giữa A và B theo logic 0 hoặc 1
- Một số vấn đề liên quan đến chuẩn RS485: