Model Tỉ số truyền
4GN18K 18:1
Với 4IK25A-S 3P 220V 25W và hộp số 4GN18K có tỉ số truyền i=18 giúp động cơ tạo ra momen kéo đáp ứng yêu cầu bài toán
Hình 2. 2 Động cơ Oriental 4IK25A-S
Kết luận : Thiết bị truyền động trong mô hình cân băng định lượng của đề
2.3 .Lựa chọn biến tần
Trong mô hình cân băng định lượng của đề tài có sử dụng một động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc và cần thay đổi tốc độ. Hiện nay có nhiều thiết bị để thay đổi tốc độ của một động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc nhưng ưu việt nhất là sử dụng biến tần.
2.3.1. Vai trò của biến tần trong hệ thống băng tải cân băng định lượng
- Yêu cầu của biến tần:
+ Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị tốc độ mong muốn + Hoạt động ở lưới điện ba pha 380V hoặc một pha 220V.
+ Hoạt động an toàn, đảm bảo tuổi thọ trong môi trường sản xuất thực phẩm.
+ Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì momen không đổi.
+ Quá trình khởi động và dừng động cơ phải êm dịu để nguyên liệu trên băng tải không bị văng, giúp kéo dài tuổi thọ của động cơ và các cơ cấu cơ khí.
+ Có khả năng bảo vệ động cơ tránh quá tải.
+ Có khả năng truyền thông Modbus để điều khiển và giám sát thông số của động cơ qua biến tần từ xa.
2.3.2. Tính chọn công suất biến tần
Động cơ sử dụng trong mô hình cân băng định lượng của đề tài có công suất 0.25kW. 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) . Băng tải thuộc loại tải nhẹ nên ta chọn hệ số k= 1.2. Công suất biến tần cần tính toán thiết là:
P = 1.2* 0.25 = 0.30kW
Ta lựa chọn biến tần trên thị trường có công suất cao hơn nhưng gần nhất với công suất biến tần tính toán . Hiện nay có nhiều hãng biến tần, nhận thấy biến tần LS có chi phí đầu tư thấp hơn của nhiều hãng khác ở cùng công suất nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu về biến tần của bài toán .
Vì thế ta lựa chọn biến tần LS 004 IG5A-2 0.4kw.
Động cơ trong mô hình chỉ có công suất 25W nên biến tần LS 004 IG5A-2 0.4kw vẫn đáp ứng được.
Hình 2. 3 Biến tần LS 004 IG5A-2 0.4kw
Thông số kĩ thuật biến tần sử dụng trong mô hình : - Truyền thông : Modbus RTU
- Mô men khởi động: 150% hoặc hơn tại 0.5 Hz
- Khả năng quá tải: 120% trong 60 giây
- Chức năng bảo vệ: Quá áp, thấp áp, quá dòng, qua nhiệt động cơ, quá nhiệt inverter, quá tải, lỗi truyền thông, lỗi phần cứng...
- Cấp bảo vệ: IP 20
- Đầu ra danh định:
Công suất định mức : 0.4kW Dòng danh định: 2.5A
Tần số đầu ra max : 400Hz
Điện áp đầu ra max : 3 pha 200~230V
- Đầu vào danh định
Điện áp vào : 1 pha/3pha 200~230VAC Tần số : 50/60Hz
- Cài đặt tần số :
Digital : panel
Truyền thông
Hình 2. 4 Sơ đồ chân đấu động lực
Hình 2. 5 Sơ đồ chân điều khiểnBảng 2. 4. Sơ đồ chân biến tần LS IG5A Bảng 2. 4. Sơ đồ chân biến tần LS IG5A
Tên chân Giải thích
Phần động lực R, S, T Nguồn ngõ vào AC 200 – 230 V U, V, W 3 pha ngõ ra đến động cơ B1, B2 Kết nối điện trở thắng G Dây tiếp đất Phần tín hiệu điều khiển ngõ vào P1, P2, P3, P4,
P5, P7, P8 Ngõ vào đa chức năng.
24 Ngõ ra nguồn 24Vdc
VR Nguồn cấp tín hiệu potentiometer
VI Ngõ vào tín hiệu điện áp analog : 0 – 10V ;
I Ngõ vào tín hiệu dòng điện analog : 0 –20mA ; CM Chân chung của tín hiệu analog và tín hiệu ngõvào đa chức năng
Tiến hiệu điều khiển ngõ ra
AM Ngõ ra analog đa chức năng.
3A, 3B, 3C Ngõ ra relay đa chức năng. ( 3C: chân comchung). MO, MG Ngõ ra transistor (NPN) đa chức năng.
Sơ đồ đấu dây
Hình 2. 7 Giao diện bàn phím biến tần LS IG5ABảng 2. 5. Giải thích kí hiệu trên bàn phím biến tần LS IG5A Bảng 2. 5. Giải thích kí hiệu trên bàn phím biến tần LS IG5A
Hiển thị Chức năng Mô tả
PHÍM RUN Phím chạy Lệnh chạy
STOP/RESET Phím DỪNG/
RESET STOP: Lệnh dừng trong khihoạt động RESET: Lệnh reset trong khi lỗi xuất hiện
▲ Phím lên Được sử dụng để cuộn các mã hoặc tăng giá trị thông số ▼ Phím xuống Được sử dụng để cuộn các
mã hoặc giảm giá trị thông số
◀ Phím trái Được sử dụng để nhảy tới các nhóm thông số khác hoặc di chuyển con trỏ sang trái để thay đổi giá trị thông số
▶ Phím phải Được sử dụng để nhảy tới các nhóm thông số khác hoặc di chuyển con trỏ sang phải để thay đổi giá trị thông số ENT Phím ENTER Được sử dụng để đặt hoặc
lưu thay đổi giá trị thông số HIỂN THỊ FWD Đèn chạy thuận Sáng trong khi chạy thuận
REV Đèn chạy ngược Sáng trong khi chạy ngược RUN Đèn chạy Sáng trong khi chạy hoạt
động
SET Cài đặt Sáng trong khi cài đặt thông số
Hình 2. 8 Các nhóm lệnh của biến tần LS iG5A
Drive group: Khi vào nhóm này biến tần LS (iG5A) sẽ cài đặt các thông số:
tần số, thời gian tăng tốc (acc), thời gian giảm tốc(dec), Chọn lựa đầu vào điều khiển chạy/ dừng (drv), chọn lựa kiểu cài đặt thay đổi tần số điều khiển (frq). . .
FU group1: Khi vào nhóm này biến tần LS (iG5A) sẽ cài đặt các thông số có
chức năng điều chỉnh tần số, điện áp . . . .
FU group2: Khi vào nhóm này biến tần LS (iG5A) sẽ cài đặt thông số cho
ứng dụng PID, thông số motor . . . .
IO group: Khi vào nhóm này biến tần LS (iG5A) sẽ cài đặt các thông số chức
năng ngõ ra, vào. . . .
Biến tần LS IG5A có rất nhiều thông số kĩ chức năng nhưng trong mô hình cân băng định lượng chỉ cài đặt một số thông số chức năng cần thiết sau :
Nhóm Drive group
Bảng 2. 6. Nhóm Drive group
Nhóm FU Group 1 LED
Hiển thị
Tên thông số Mô tả Mặc định
nhà máy
Điều chỉnh khi chạy
ACC Thời gian tăng tốc 0~6000s 5.0 Có
dEC Thời gian giảm tốc 0~6000s 10.0 Có
drv Chế độ điều khiển 0(Bàn phím), 1(FX/RX-1), 2(FX/RX-2),3(RS-485) 1 Không Frq Phương pháp cài đặt tần số 0(Bàn phím), 1(Bàn phím- 1),2(V1S: -10~+10V), 3(V1: 0~10V),4(I:0-20mA), 5(V1S+I),6 (V1+I), 7(RS-485) 0 Không
drC Lựa chọn chiều quay động cơ F (Thuận), R(Ngược) F Có Bảng 2. 7. Nhóm FU group 1 LED Hiển thị
Tên thông số Mô tả Mặc định nhà máy Điều chỉnh Khi chạy
F21 Tần số Max 40~400Hz 60.0 Không
Nhóm FU Group 2
Bảng 2. 8. Nhóm FU group 2
LED Hiển thị
Tên thông số Mô tả Mặc định
Nhà máy
Điều chỉnh Khi chạy
H30 Lựa chọn động cơ 0.2~7.5kW 0.4 Không
H31 Số cực động cơ 2~12 4 H32 Tần số trượt danh định 0~10Hz H33 Dòng danh định động cơ 1.0~50A H34 Dòng không tải động cơ 0.1~20A
H36 Hiệu suất động cơ 50~100%
Nhóm I/O Group
Bảng 2. 9. Nhóm I/O group
LED Hiển thị
Tên thông số Mô tả Mặc định nhà máy Điều chỉnh Khi chạy I59 Lựa chọn giao thức
truyền thông
0 (Modbus
RTU), 1 (LS BUS)
0 Không
I60 Địa chỉ biến tần 1~32 1 Có
1 : 2400bps 2 : 4800bps 3 : 9600bps 4 : 19200bps
I64 Thời gian truyền thông
2~100ms 5 Có
2.4. Lựa chọn Aptomat
2.4.1. Vai trò của Aptomat trong hệ thống cân băng định lượng
Aptomat là tên gọi chung của một thiết bị có chức năng bảo vệ quá tải và ngắn mạch trong hệ thống điện hạ áp.
2.4.2. Tính chọn Aptomat
Trong mô hình hệ thống cân băng định lượng này có sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc có công suất định mức P = 25 W, dòng điện định mức Iđm =0.22A và điện áp định mức là Uđm = 220 V 50Hz.
Vì động cơ khởi động bằng biến tần nên ta không xét tới dòng khởi động của động cơ khi chọn Aptomat.
Để tính toán lựa chọn aptomat phù hợp, đảm bảo an toàn cho động cơ, tiết kiệm chi phí cho hệ thống em tính chọn dòng điện thực tế của aptomat theo công thức:
Itt = (1,2 ÷1,5).Idm
Chọn hệ số là 1,4
Vậy IP1 tt = 1,4 . IP1 dm = 1,4 . 0,22 = 0.3 (A)
Để đảm bảo các aptomat làm việc ổn định, tuổi thọ cao với chi phí kinh tế thấp nhất ta chọn các aptomat có IdmA lớn hơn gần nhất với Itt ở trên
Nguồn điện sử dụng trong mô hình là nguồn điện một pha hai dây 220VAC Ta lựa chọn MCB 2P 6A Mitsubishi BH-D6
Hình 2. 9 MCB 2P 6A Mitsubishi BH-D6
Bảng 2. 10. Thông số kĩ thuật của 10 MCB 2P 6A Mitsubishi BH-D6
Số cực 2P
Điện áp định mức 400V
Dòng điện định mức 6A
2.5. Thiết kế mạch động lực cho hệ thống
VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Khi tiến hành lựa chọn thiết bị cho một hệ thống nào đó thì sẽ có rất nhiều phương án để lựa chọn thiết bị, và với cùng một thiết bị nhưng của nhiều hãng sản xuất khác nhau trên thị trường. Nhiệm vụ của người thiết kế hệ thống điều khiển tự động là lựa chọn được các thiết bị điều khiển và đo lường tốt nhất cho hệ thống, vừa đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống lại rẻ về chi phí đầu tư và chi phí bảo dưỡng, thay thế dễ dàng, có khả năng mở rộng được hệ thống trong tương lai. Đặc biệt, đối với các thiết bị làm việc trong các môi trường làm việc khác nhau sẽ có các phương án lựa chọn khác nhau để phù hợp với các yêu cầu công nghệ của hệ thống đề ra. Một yếu tố quyết định cho tuổi thọ của thiết bị nói chung đó là: thiết bị phải được chế tạo bằng loại vật liệu sao cho phù hợp với môi trường mà thiết bị đó làm việc. Ở hệ thống cân băng định lượng, các thiết bị phải làm việc trong môi trường thức ăn, bụi cám, nên đòi hỏi rất khắt khe về vật liệu làm thiết bị. Ngoài các yếu tố về độ chính xác, nhiệt độ môi trường, độ IP ( độ bảo vệ của thiết bị với môi trường bên ngoài ), độ an toàn với môi trường, chức năng của loại thiết bị đó để làm gì, loại thiết bị đó do hãng nào sản xuất, làm việc liên tục hay không liên tục, nếu mà làm việc liên tục thì dải làm việc của thiết bị như thế nào và đưa ra đầu ra là tín hiệu ( dòng điện hay điện áp )… Sau khi đã lựa chọn cho thiết bị với đầy đủ các thông số kỹ thuật như trên thì cuối cùng sẽ lựa chọn ra loại thiết bị cần cho hệ thống và mã sản xuất của thiết bị đó.
Xuất phát từ yêu cầu công nghệ của cân băng định lượng, các thiết bị sẽ được lựa chọn cho mạch điều khiển gồm các thiết bị sau:
+ Thiết bị điều khiển
+ Thiết bị điều khiển giám sát
+ Thiết bị đo: đo khối lượng nguyên liệu trên băng tải, đo tốc độ băng tải + Các thiết bị bảo vệ mạch
3.1. Bộ điều khiển
3.1.1. Phương án bộ điều khiển dùng vi xử lí
Trong hệ thống cân băng định lượng có thể sử dụng vi xử lí cho hệ thống điều khiển. Nhưng để thiết kế được bộ điều khiển dùng vi xử lí tốn nhiều thời gian và kinh phí cho quá trình thiết kế. Môi trường sản xuất thức ăn công nghiệp nhiều yếu tố gây nhiễu về nhiệt độ, độ ẩm và điều kiện sản xuất khắc nghiệt như rung lắc, bụi để bộ điều khiển sử dụng vi xử lí có thể được chấp nhận sử dụng thì phải trải qua nhiều quá trình kiểm tra, kiểm định để đảm bảo thỏa mãn các tiêu chuẩn trong nghiệp như IP, NEMA,... gây tốn rất nhiều thời gian. Ngoài ra, việc chế tạo vi mạch đòi hỏi công nghệ chế tạo vi mạch rất khắt khe vì vi mạch có khả năng kháng nhiễu thấp, dễ bị nhiễu trong những môi trường làm việc phức tạp với bụi bẩn, sóng hài từ các thiết bị công suất trong công nghiệp, phụ thộc nhiều vào kĩ thuật làm mạch. Do vậy, việc sử dụng bộ điều khiển trung tâm - vi xử lý là phương án không phù hợp trong hệ thống này.
3.1.2. Phương án bộ điều khiển PLC .
Thiết bị điều khiển Logic khả trình PLC 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. Xét về tính tiện dụng thì PLC là thiết bị được tích hợp sẵn, còn vi xử lý thì phải chế tạo mạch và các linh kiện khác. Như vậy, với chương trình điều khiển, 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.
Từ yêu cầu của hệ thống và những phân tích trên chọn bộ điêu khiển cho hệ thống điều khiển trong mô hình cân băng đinh lượng là PLC.
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).
- 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.
+ Logo dòng sản phẩm cho các ứng dụng nhỏ khoảng 16-24 I/O
+ 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 RJ 45 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.
Nhận thấy hệ thống cân băng định lượng có số lượng đầu vào ra ít, cần có truyền thông với HMI nên cần bộ điều khiển nhỏ gọn, tích hợp sẵn các tính năng cần thiết trên PLC và giá thành thấp nên ta lựa chọn dùng trong hệ thống là PLC