- Mạng truyền thông công nghiệp: mạng truyền thông công nghiệp hay mạngcông nghiệp MCN là một khái niệm chung chỉ các hệ thống truyền thông số, truyềnbit nối tiếp, được sử dụng để ghép n
TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP
Khái quát chung
1.1.1 Mạng truyền thông công nghiệp là gì:
Truyền thông công nghiệp là quá trình trao đổi thông tin giữa hai chủ thể trong quá trình sản xuất công nghiệp, trong đó các chủ thể là người và máy móc thiết bị Việc liên kết giữa con người và hệ thống máy móc thông qua các kênh truyền thông giúp đồng bộ hóa quy trình sản xuất và tối ưu hóa hiệu suất làm việc.
Trao đổi thông tin trong công nghiệp có thể diễn ra giữa: Người – Người; Người – Máy; Máy- Máy.
Mạng truyền thông công nghiệp (MCN) là khái niệm chung cho các hệ thống truyền thông số và truyền bit nối tiếp được dùng để ghép nối các thiết bị công nghiệp MCN cho phép kết nối liên tục và tin cậy giữa các thiết bị công nghiệp, tối ưu hóa quá trình truyền dữ liệu và hỗ trợ tích hợp với các hệ thống điều khiển tự động.
1.1.2 Phân biệt Mạng truyền thông CN - Mạng Viễn Thông – Mạng máy tính
Một số điểm khác biệt để phân biệt lĩnh vực truyền thông công nghiệp với các hệ thống mạng viễn thông và mạng máy tính.
Mạng viễn thông có phạm vi địa lý rộng và số lượng thành viên tham gia lớn hơn rất nhiều, nên các yêu cầu kỹ thuật như cấu trúc mạng, tốc độ truyền thông và tính năng thời gian thực trở nên phức tạp hơn so với mạng công nghiệp Đồng thời, các phương pháp truyền thông trong mạng viễn thông gồm truyền tải dải rộng và dải cơ sở, điều khiển, dồn kênh và chuyển mạch đòi hỏi mức độ tối ưu hóa và quản lý cao hơn để đảm bảo hiệu suất, tin cậy và chất lượng dịch vụ.
Mạng viễn thông là hệ thống bao gồm cả con người và thiết bị kỹ thuật, trong đó con người đóng vai trò chủ yếu và quyết định cách thức trao đổi thông tin Vì vậy, các dạng thông tin cần trao đổi trên mạng viễn thông rất đa dạng, bao gồm tiếng nói, hình ảnh, văn bản và dữ liệu.
Mạng công nghiệp tập trung chủ yếu vào các thiết bị công nghiệp, nên dữ liệu là thông tin được quan tâm hàng đầu Các kỹ thuật và công nghệ được ứng dụng trong mạng công nghiệp phong phú, đặc biệt là trong kỹ thuật truyền dữ liệu theo chế độ bit nối tiếp, đây là đặc trưng nổi bật của mạng công nghiệp.
- Mạng máy tính: Đối với mạng máy tính mạng truyền thông công nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của máy tính.
+ Kỹ thuật truyền thông số hay truyền dữ liệu là đặc trưng của cả hai lĩnh vực. iv
Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính được sử dụng trong công nghiệp được xem như một thành phần quan trọng thuộc mô hình cấp của mạng công nghiệp, kết nối từ cấp điều khiển giám sát đến cấp điều hành sản xuất và quản lý công ty Sự phân tầng rõ ràng cho mạng công nghiệp giúp tối ưu hóa luồng dữ liệu, tăng cường khả năng giám sát và điều khiển từ xa, từ đó ra quyết định ở mọi cấp độ Nhờ vậy, mạng công nghiệp đóng vai trò then chốt trong hiệu quả vận hành và quản trị doanh nghiệp, đồng bộ hoá các quá trình sản xuất với chiến lược quản lý tổng thể.
Trong mạng truyền thông công nghiệp, yêu cầu về tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích được đặt ở mức cao hơn so với mạng máy tính thông thường do môi trường công nghiệp đòi hỏi vận hành liên tục và đồng bộ dữ liệu chính xác Ngược lại, mạng máy tính phổ thông thường gắn liền với các yêu cầu về bảo mật và an toàn thông tin mạnh mẽ để đối phó với rủi ro an ninh mạng Vì vậy, khi thiết kế và tối ưu hóa hệ thống, cần nhấn mạnh các yếu tố thời gian thực, độ tin cậy và tương thích cho mạng công nghiệp, và chú trọng bảo mật cho mạng máy tính.
Mạng máy tính có phạm vi trải rộng rất khác nhau: từ mạng LAN nhỏ cho vài máy tính trong một nhóm đến các mạng lớn như Internet Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính gián tiếp sử dụng dịch vụ truyền dữ liệu từ mạng viễn thông Hiện nay, các hệ thống mạng công nghiệp thường có tính độc lập hoặc được thiết kế để vận hành riêng biệt, dù vẫn có thể được tích hợp và liên kết khi cần thiết.
Những khác biệt về phạm vi và mục đích sử dụng giữa mạng truyền thông công nghiệp, mạng viễn thông và mạng máy tính khiến các yêu cầu kỹ thuật và kinh tế cũng khác nhau Mạng công nghiệp nhấn mạnh độ tin cậy, khả năng chịu môi trường khắc nghiệt và tích hợp với hệ thống sản xuất, từ đó ảnh hưởng đến thiết kế kiến trúc, chuẩn công nghệ và chi phí vận hành Trong khi đó, mạng viễn thông và mạng máy tính tập trung vào mở rộng quy mô, tính linh hoạt và tối ưu chi phí vốn và vận hành cho lưu lượng dữ liệu lớn và đa dạng Vì vậy, lựa chọn công nghệ, phương án vận hành và chiến lược bảo trì phải phù hợp với từng loại mạng để đảm bảo hiệu suất, an toàn và hiệu quả kinh tế.
1.1.3 Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp
Trong lĩnh vực đo lường, điều khiển và tự động hóa, việc sử dụng mạng truyền thông công nghiệp như bus trường để thay thế cách nối điểm–điểm cổ điển giữa các thiết bị mang lại nhiều lợi ích nổi bật: giảm số lượng dây cáp và đơn giản hoá cấu hình hệ thống, tăng khả năng mở rộng và độ tin cậy của mạng, dễ dàng chẩn đoán và bảo trì thông qua chuẩn hóa giao thức, đồng thời tối ưu hoá chi phí vận hành và thời gian triển khai.
- Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp.
- Giám đáng kể giá thành dây nối và công lắp đặt hệ thống.
- Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống.
- Tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trong môi trường
- Đơn giản hóa, tiện lợi hóa việc chẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị.
- Nâng cao khả năng tương tác giữa các thành phần (phần cứng và phần mềm)
- nhờ các giao diện chuẩn.
Việc mở rộng hệ thống mở ra nhiều chức năng và cơ hội ứng dụng mới, giúp cải thiện tính linh hoạt và hiệu quả vận hành Các ứng dụng tiêu biểu bao gồm điều khiển phân tán, giám sát và điều khiển từ xa, cùng với chẩn đoán lỗi qua Internet, từ đó cho phép quản lý hệ thống toàn diện, tối ưu hóa phản hồi và giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động.
- Các hệ thống bus trường cũng đã dần thay thế các mạch dòng tương tự 4 – 20mA.
- Ưu thế của giải pháp dùng mạng công nghiệp không những nằm ở phương diện kỹ thuật mà còn ở khía cạnh hiệu quả kinh tế.
Chính vì vậy, ứng dụng của nó rộng rãi và có mặt ở hầu hết các lĩnh vực công nghiệp, từ điều khiển quá trình và tự động hóa xí nghiệp đến điều khiển giao thông, cho thấy công nghệ này được sử dụng phổ biến để tối ưu hóa sản xuất, nâng cao hiệu suất và quản lý vận hành.
1.1.4 Phân loại và đăc trưng của hệ thống mạng công nghiệp v Để sắp xếp, phân loại và phân tích đặc trưng các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp, ta dựa vào mô hình phân cấp quen thuộc cho công ty, xí nghiệp sản xuất. với loại mô hình này, các chức năng được phân thành nhiều cấp khác nhau:
Hình 1.1 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống mạng truyền thông công nghiệp
Trong mô hình công ty có 5 cấp chức năng, xí nghiệp tương ứng ở cấp 4 của hệ thống truyền thông Từ cấp điều khiển và giám sát trở xuống, thuật ngữ 'bus' được dùng thay cho 'mạng' bởi phần lớn các hệ thống mạng ở các cấp dưới đều có cấu trúc vật lý hoặc logic kiểu bus.
- Bus trường, bus thiết bị
Bus trường (fieldbus) là khái niệm phổ biến trong ngành công nghiệp để chỉ các hệ thống bus nối tiếp dựa trên truyền tin số, kết nối các thiết bị ở cấp điều khiển như PC, PLC với nhau và với các thiết bị ở cấp chấp hành hoặc cấp thiết bị trường Các thiết bị có khả năng nối mạng bao gồm bộ vào/ra phân tán, cảm biến và cơ cấu chấp hành tích hợp khả năng xử lý và truyền thông.
Truyền thông Profinet
1.2.1 Khái quát chung về truyền thông Profinet
CPU S7-1500 có hai cổng PROFINET tích hợp, hỗ trợ cả tiêu chuẩn truyền thông Ethernet và dựa trên TCP/IP; các giao thức ứng dụng được CPU S7-1500 hỗ trợ.
Giao thức điều khiển vận chuyển (Transport Control Protocol – TCP)
CPU S7-1500 có thể giao tiếp với các CPU S7-1500 khác, với thiết bị lập trình STEP 7 Basic, với các thiết bị HMI và thậm chí với các thiết bị không thuộc Siemens bằng các giao thức truyền thông TCP tiêu chuẩn Có hai cách để giao tiếp qua PROFINET.
Kết nối trực tiếp là phương án tối ưu khi bạn đang sử dụng một thiết bị lập trình, HMI hoặc một CPU khác được kết nối tới một CPU riêng lẻ Việc sử dụng kết nối trực tiếp giúp truyền dữ liệu nhanh hơn, giảm độ trễ và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống tự động hóa Khi triển khai, hãy chọn giao thức và cấu hình phù hợp để đảm bảo đồng bộ và ổn định trong quá trình giao tiếp giữa các thiết bị với CPU riêng.
Kết nối mạng và truyền thông mạng là yếu tố then chốt cho hệ thống tự động hóa khi bạn kết nối với nhiều thiết bị cùng lúc Khi kết nối với hơn hai thiết bị, chẳng hạn CPU, HMI, các thiết bị lập trình và cả các thiết bị không phải của Siemens, hãy sử dụng các giao thức truyền thông mạng phù hợp để đảm bảo trao đổi dữ liệu nhanh chóng, tương thích giữa các thiết bị và có thể mở rộng mạng lưới điều khiển.
Sau đây là một số ví dụ về việc kêt nối PLC qua cổng PROFINET (Hình ảnh ví dụ với PLC S7-1200, với PLC S7-1500 tương tự)
Kết nối trực tiếp: thiết bị lập trình được kết nối đến CPU S7-1200 viii
Kết nối trực tiếp: HMI được kết nối đến CPU S7-1200
Kết nối mạng: có nhiều hơn 2 thiết bị được kết nối với nhau, bằng cách sử dụng một bộ chuyển mạch Ethernet CSM1277
Một bộ chuyển mạch Ethernet không cần thiết cho kết nối trực tiếp giữa một thiết bị lập trình hoặc HMI và CPU, vì kết nối như vậy có thể thực hiện trực tiếp Bộ chuyển mạch Ethernet chỉ thực sự cần cho mạng có nhiều hơn hai CPU hoặc thiết bị HMI tham gia Bộ chuyển mạch Ethernet 4 cổng CSM1277 của Siemens có thể dùng để kết nối các CPU và các thiết bị HMI trong cùng một mạng, tối ưu hóa truyền thông và quản lý mạng giữa PLC và HMI Cổng PROFINET trên CPU S7-1500 không tích hợp bộ chuyển mạch Ethernet.
Số lượng tối đa các kết nối đối với cổng Profinet.
Cổng PROFINET trên CPU hỗ trợ các kết nối truyền thông đồng thời sau đây:
- Kết nối đối với truyền thông HMI đến CPU
- 1 kết nối đối với truyền thông thiết bị lập trình (PG) đến CPU
Bài viết trình bày 8 kết nối truyền thông trong chương trình S7-1500, được thực hiện thông qua các lệnh khối T TSEND_C, TRCV_C, TCON, TDISCON, TSEN và TRCV để thiết lập và quản lý liên kết giữa hai CPU S7-1500: một CPU ở trạng thái thụ động (slave) và một CPU ở trạng thái tích cực (master) Quy trình bắt đầu bằng TCON để mở kết nối, sau đó TSEND_C và TRCV_C được dùng để gửi và nhận dữ liệu giữa hai PLC, còn TSEN và TRCV hỗ trợ đồng bộ hóa và xử lý dữ liệu theo chu kỳ giao tiếp TDISCON được dùng để đóng kết nối khi kết thúc giao tiếp, nhờ đó hệ thống duy trì tính ổn định và an toàn của kênh truyền thông Với 8 kênh kết nối đồng thời, cấu hình này tối ưu hóa băng thông và thời gian đáp ứng, đảm bảo trao đổi dữ liệu liên tục giữa hai CPU S7-1500 và phù hợp với yêu cầu vận hành của hệ thống tự động hóa.
- CPU S7 tích cực sử dụng các lệnh GET và PUT (S7-300,S7-400, S7- 1200,S7-1500) hay các lệnh ETHx_XFER (S7-200).
- Một kết nối truyền thông S7-1500 tích cực chỉ có thể thực hiện với các lệnh khối T.
Các TSAP bị hạn chế hay các số hiệu cổng đối với truyền thông ISO và TCP tích cực ix
Khi dùng lệnh TCON để thiết lập và tạo ra một kết nối truyền thông tích cực, các địa chỉ cổng sau đây bị hạn chế và không nên được dùng Việc tránh các cổng bị hạn chế không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng mà còn tăng cường an toàn cho hệ thống, giảm thiểu xung đột và rủi ro bảo mật Do đó, hãy luôn tham chiếu danh sách cổng bị cấm khi cấu hình TCON nhằm duy trì kết nối ổn định và an toàn.
1.2.2 Truyền thông Profinet giữa PLC S7-1500 với thiết bị lập trình
Thực hiện các bước sau đây để tạo phần cứng giữa thiết bị lập trình và một CPU. B1: lắp đặt CPU
B2: Cắm cáp Ethernet vào cổng Profinet
B3: Kết nối Cáp Ehernet đến thiết bị lập trình.
Hình 1.2 Kết nối PLC S7-1500 đến thiết bị lập trình qua cổng profinet
1.2.3 Gán các địa chỉ IP (Internet Protocol)
1.2.3.1 Gán các địa chỉ IP đến các thiết bị lập trình và các thiết bị mạng.
Trong trường hợp thiết bị lập trình sử dụng một mạch giao tiếp tích hợp được kết nối vào mạng LAN của nhà máy và Internet có sẵn, Network ID của địa chỉ IP phải khớp chính xác với mạng con được cấu hình trên cả CPU và mạch giao tiếp tích hợp của thiết bị Network ID là phần đầu tiên của địa chỉ IP và thường bao gồm ba nhóm octet khi subnet mask phổ biến là 255.255.255.0, đảm bảo sự đồng bộ giữa CPU và mạch giao tiếp tích hợp để thiết bị giao tiếp trên mạng một cách ổn định.
Đầu 8 bit của địa chỉ IP xác định mạng mà máy tính đang kết nối, ví dụ 211.154.184.16 Mặt nạ mạng con (subnet mask) thường có giá trị 255.255.255.0, tuy nhiên trong mạng LAN của nhà máy có thể dùng các giá trị khác như 255.255.254.0 để thiết lập các subnet đồng nhất và tối ưu hóa việc phân bổ địa chỉ IP.
Trong quản trị mạng, mặt nạ mạng con (subnet mask) kết hợp với địa chỉ IP bằng phép toán AND trong toán học sẽ xác định giới hạn của mạng con, giúp xác định phạm vi địa chỉ IP thuộc subnet và định hình cấu trúc mạng một cách rõ ràng và hiệu quả.
Trong chuỗi sự kiện trên World Wide Web, các thiết bị được lập trình, các thiết bị mạng và bộ định tuyến IP sẽ giao tiếp với toàn thế giới; vì vậy mỗi địa chỉ IP duy nhất phải được phân bổ để tránh xung đột với các người dùng mạng khác Để gán địa chỉ IP đúng cách, liên hệ với nhân sự ở phòng IT của công ty để được cấp phát và quản lý địa chỉ IP một cách an toàn và hiệu quả.
Bảng 1.1 Mạch giao tiếp các thiết bị lập trình Mạch giao tiếp thiết bị lập trình Kiểu mạng Địa chỉ IP Màng chắn mạng con
Mạng giao tiếp tích hợp Được kết nối đến mạng LAN của nhà máy và (world wide web là có sẵn)
Network ID của CPU và của mạch giao tiếp trong thiết bị lập trình phải giống nhau một cách chính xác.
Network ID là phần đầu tiên của địa chỉ IP( 3 nhóm 8 bit đầu tiên) Xác định mạng
IP nào mà ta đang kết nối
Màn chắn con của CPU và mạch giao tiếp tích hợp phải giống nhau một cách chính xác.
Trong cấu hình mạng, mặt nạ mạng con (subnet mask) 255.255.255.0 là giá trị phổ biến, nhưng trên mạng LAN của nhà máy nó có thể được thiết lập ở các giá trị khác nhau để đồng bộ hóa các mạng con Mặt nạ mạng con giúp phân định phần địa chỉ dùng cho mạng và phần địa chỉ dành cho host Khi một địa chỉ IP được kết nối với mặt nạ mạng con và thực hiện phép toán AND, kết quả cho biết địa chỉ mạng (network address) và phạm vi các địa chỉ IP thuộc mạng con đó Việc cấu hình mặt nạ mạng con phù hợp giúp quản lý địa chỉ hiệu quả và đảm bảo thông tin liên lạc diễn ra trơn tru trong hệ thống mạng của nhà máy.
Ethernet- USB Được kết nối đến một mạng bị cô lập
Network ID của CPU và mạch giao tiếp Ethernet- USB trong thiết bị lập trình phải giống nhau một cách chính xác.
Network ID là phần đầu tiên của địa chỉ IP( 3 nhóm 8 bit đầu tiên) (Ví dụ:
211.154.184.16) Xác định mạng IP nào mà ta đang kết nối
Trong hệ thống mạng, mặt nạ mạng con của CPU và mạch giao tiếp tích hợp phải khớp với nhau một cách chính xác Mặt nạ mạng con thường có giá trị 255.255.255.0 Khi mặt nạ mạng con được áp dụng với địa chỉ IP thông qua phép toán AND, nó xác định giới hạn của mạng con IP.
Gán gái trị hay kiểm tra địa chỉ IP của thiết bị lập trình bằng cách sử dụng
“My Network Places” trên màn hình xi
Ta có thể gán giá trị hay kiểm tra địa chỉ IP của thiết bị lập trình với các bước sau đây:
+ B1: Nhấp chuột phải chọn My Network Places
+B3: Nhấp chuột phải chọn “Local Arena Connection”
Open the Local Area Connection Properties dialog, locate Internet Protocol (TCP/IP) in the list under “This connection uses the following items,” select it, and click Properties In the Internet Protocol (TCP/IP) properties, choose either “Obtain an IP address automatically (DHCP)” to receive an IP dynamically, or “Use the following IP address” to enter a static IP address.
Kiểm tra địa chỉ IP của thiết bị lập trình bằng cách sử dụng các lệnh
Bạn có thể kiểm tra địa chỉ IP của thiết bị được lập trình và địa chỉ IP của bộ định tuyến (cổng vào/ra) bằng các bước đơn giản: nhấn tổ hợp Windows + R để mở hộp thoại RUN, gõ 'cmd' và nhấn Enter để mở cửa sổ lệnh, sau đó gõ lệnh 'ipconfig' hoặc 'ipconfig /all' để xem chi tiết địa chỉ IPv4, địa chỉ gateway và các thông tin mạng khác Kết quả sẽ cho biết địa chỉ IP của thiết bị và địa chỉ IP của bộ định tuyến, giúp bạn quản lý và cấu hình mạng một cách dễ dàng.
+ Hộp thoại Run sẽ xuất hiện, gõ lệnh “cmd”
+ Trong hộp thoại “C:\WINDOWS\systme32\cmd.exe” được hiển thị, nhập vào lệnh “ipconfig” sẽ cho ra kết quả như hình sau:
Hình 1.3 Kiểm tra địa chỉ IP thiết bị lập trình bằng lệnh Ipconfig
TRUYỀN THÔNG PROFINET CHO PLC S7 - 1500 .15 2.1 Khái quát chung về PLC S7 -1500
Giới thiệu
PLC S7-1500 là bộ điều khiển logic khả trình có mạng tính linh hoạt và sức mạnh để điều khiển nhiều thiết bị nhằm đáp ứng các yêu cầu về điều khiển tự động Sự kết hợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt và tập lệnh mạnh mẽ khiến S7-1500 trở thành giải pháp hoàn hảo cho việc điều khiển nhiều ứng dụng đa dạng.
PLC S7-1500 được tích hợp bộ vi xử lý, nguồn tích hợp và các mạch ngõ vào/ra vào trong một cấu hình thu gọn, mang lại một PLC mạnh mẽ cho các ứng dụng tự động hóa công nghiệp Khi người dùng tải xuống chương trình, CPU sẽ nắm giữ mạch logic cần thiết để giám sát và điều khiển các thiết bị trong hệ thống Quá trình vận hành dựa vào việc CPU theo dõi các ngõ vào và điều chỉnh ngõ ra theo logic chương trình người dùng, có thể bao gồm các hoạt động như logic Boolean, đếm, định thì, các phép toán phức hợp và khả năng truyền thông với các thiết bị thông minh khác.
Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ việc truy xuất đến cả CPU và chương trình điều khiển:
Mỗi CPU cung cấp một sự bảo vệ bằng mật khẩu cho phép người dùng cấu hình việc truy xuất đến các chức năng của CPU.
Người dùng có thể sử dụng chức năng “know-how protection” để ẩn mã nằm trong một khối xác định.
CPU hỗ trợ giao tiếp qua mạng PROFINET với một cổng PROFINET tích hợp, cho phép kết nối và truyền dữ liệu nhanh chóng trên mạng PROFINET Đồng thời, các module truyền thông tùy chọn có sẵn để giao tiếp qua các mạng RS232 hoặc RS485, mở rộng khả năng tích hợp với các chuẩn giao tiếp công nghiệp phổ biến.
Ví dụ cấu hình
Dưới đây là ví dụ về cấu hình của một PLC S7-1500:
1: mô-đun cung cấp điện cho hệ thống (System power supply module).
4: hê thống gá gắn thanh đỡ cho PLC
Hình 2.1 Cấu hình của một PLC S7-1500
Các thành phần của hệ thống PLC S7-1500
Bảng 2.1 Các thành phần của hệ thống PLC S7-1500 [3]
Các thành phần Chức năng Ví dụ/ Hình ảnh
Hệ thống ray lắp đặt
Là gá gắn đỡ của hệ thống S7-1500
Phần tử nhựa PE kết nối cho thanh ray bộ vít được luồn vào rãnh hình chữ T của ray lắp, tạo liên kết chắc chắn giữa các thành phần và đồng thời đảm bảo tiếp đất cho hệ thống Thiết kế dễ lắp đặt cho phép luồn qua rãnh chữ T một cách dễ dàng, tăng tính ổn định và an toàn của ray lắp Việc kết nối đất bằng phần tử PE giúp nâng cao hiệu quả vận hành và giảm thiểu rủi ro khi sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp và cơ khí.
Mô đun cấp điện cho hệ thống
Nguồn cấp cho hệ thống có các loại sau đây:
CPU, hay Bộ xử lý trung tâm, là thành phần chịu trách nhiệm xử lý các thuật toán đã được đặt ra trong hệ thống Nó đảm nhận vai trò điều khiển và xử lý dữ liệu, đảm bảo tính toán diễn ra chính xác và nhanh chóng Đồng thời CPU cung cấp các cổng giao tiếp để ghép nối với PLC, cho phép trao đổi tín hiệu và lệnh giữa bộ xử lý trung tâm và PLC nhằm điều khiển quá trình tự động hóa một cách ổn định và hiệu quả Việc tối ưu kết nối giữa CPU và PLC giúp nâng cao hiệu suất hệ thống và độ tin cậy của toàn bộ chu trình xử lý.
Các tính năng khác và chức năng của CPU:
+ Truyền thông Ethernet + Truyền thông Profibus/Profinet + truyền thông HMI
+ tích hợp Web server + tích hợp công nghệ + tích hợp chuẩn đoán hệ thống + tích năng chức năng An ninh công nghiệp
+chế độ an toàn (CPU 1516F-3 PN/DP và CPU 1518F-4 PN/DP) xix
Các thành phần Chức năng Ví dụ/ Hình ảnh
I/O mô đun Mô- đun mở rộng I/O là trung tâm của mọi bộ điều khiển PLC với thế giới bên ngoài và với máy hoặc quá trình được điều khiển.
Mô-đun I/0 được phân loại thành các loại mô-đun sau:
• Digital input/Digital output (DIQ)
•Communication processor (CP) Đầu nối U (U connector)
Các mô-đun của hệ thống S7-1500 được kết nối bằng đầu nối U. Đầu nối U cung cấp kết nối cơ và điện giữa các mô-đun
Kết nối phía trước (Front connector)
Chức năng của các đấu nối phía trước là để kết nối các mô-đun I/O.
Đấu nối phía trước của các mô-đun công nghệ và mô-đun analog cần được bổ sung đầy đủ với khung khe chắn, phần tử cấp nguồn và kẹp khe chắn để đảm bảo an toàn, giảm nhiễu và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống Việc lắp đặt các thành phần này không chỉ bảo vệ các kết nối mà còn tăng độ tin cậy và thuận tiện cho quy trình lắp ráp, vận hành và bảo trì.
Step 7 BASIC
Phần mềm STEP 7 Basic cung cấp một môi trường thân thiện cho người dùng nhằm phát triển, chỉnh sửa và giám sát mạng logic được yêu cầu để điều khiển ứng dụng, bao gồm các công cụ dành cho quản lý và cấu hình tất cả các thiết bị trong đề án, như các thiết bị PLC hay HMI STEP 7 Basic cung cấp hai ngôn ngữ lập trình (LAD và FBD) để thuận tiện và có hiệu quả trong việc phát triển chương trình điều khiển đối với ứng dụng, và còn cung cấp các công cụ để tạo ra và cấu hình các thiết bị HMI trong đề án của người dùng. Để giúp người dùng tìm ra thông tin cần thiết, STEP 7 Basic cung cấp một hệ thống trợ giúp trực tuyến. xx Để cài đặt STEP 7 Basic, người dùng cần đưa đĩa CD vào trong ổ CD-ROM của máy tính Trình thuật sĩ cài đặt sẽ khởi động một cách tự động và nhắc người dùng trong suốt quá trình cài đặt.
2.2.1 Các kiểu xem khác nhau giúp công việc dễ dàng hơn
Nhằm giúp gia tăng hiệu suất công việc, phần Totally Intergrated Automation Portal cung cấp hai kiểu xem thiết lập công cụ khác nhau: một là thiết lập được định hướng theo công việc, thiết lập này được tổ chức trong chức năng của các công cụ (kiểu xem Portal), hai là kiểu xem được định hướng theo đề án gồm các phần tử bên trong đề án (kiểu xem Project) Người dùng cần chọn kiểu xem nào giúp làm việc với hiệu quả tốt nhất Với một cú nhấp chuột, người dùng có thể chuyển đổi giữa kiểu xem Portal và kiểu xem Project.
Portal cung cấp chế độ xem theo chức năng, giúp quản trị và thực hiện các nhiệm vụ bằng cách sắp xếp các công cụ theo từng chức năng cần thực hiện Kiểu xem này hỗ trợ tổ chức các thành phần và mạng phần cứng liên quan theo từng nhiệm vụ, từ đó dễ dàng cấu hình và tinh chỉnh quy trình làm việc để đạt hiệu suất tối ưu Nhờ đó, người dùng có cái nhìn rõ ràng về cách các thành phần tương tác với nhau để hoàn thành mục tiêu, đồng thời tối ưu hoá hoạt động và quản lý tài nguyên một cách hiệu quả.
Người dùng có thể dễ dàng xác định cách thức để tiến hành và nhiệm vụ để chọn.
Hình 2.2 Giao diện phần mềm Step 7 BASIC
Kiểu xem Project cho phép truy cập nhanh tới mọi thành phần của một dự án ở một vị trí duy nhất, giúp người dùng nắm bắt và quản lý từng khía cạnh của dự án một cách dễ dàng Khi tất cả các thành phần được sắp xếp ở cùng một nơi, việc truy xuất đến từng yếu tố và trạng thái của dự án trở nên thuận tiện hơn, từ các phần đã được tạo ra đến những phần đang hoàn thiện Nhờ đó, dự án được tổ chức rõ ràng, cải thiện hiệu quả làm việc và tối ưu hóa quá trình theo dõi tiến độ.
Hình 2.3 Giao diện kiểu xem project
2.2.2 Trợ giúp người dùng khi cần
Nhằm nhanh chóng tìm ra câu trả lời cho người dùng và giải quyết các phát sinh một cách hiệu quả, STEP 7 Basic cung cấp phần trợ giúp thông minh cho từng yêu cầu, giúp người dùng nhận được câu trả lời phù hợp ngay khi cần và xử lý nhanh các tình huống phát sinh.
Một trường nhập dữ liệu được thiết kế với trợ giúp tự động mở ra để hỗ trợ người dùng nhập đúng các phạm vi và kiểu dữ liệu cho trường đó, giúp cải thiện tính chính xác của thông tin nhập Ví dụ, khi người dùng nhập một giá trị không hợp lệ, hệ thống sẽ hiển thị hộp thông báo và liệt kê phạm vi giá trị hợp lệ cùng các kiểu dữ liệu được chấp nhận để người dùng có thể điều chỉnh và nhập lại đúng định dạng.
Trong thiết kế giao diện, một số thủ thuật về công cụ cho các lệnh được xếp tầng nhằm cung cấp thông tin bổ sung mà không làm rối giao diện Các thủ thuật này cho phép hiển thị các gợi ý công cụ (tooltip), chú thích và liên kết trợ giúp theo một cấu trúc có hệ thống Các liên kết trợ giúp sẽ dẫn đến các chủ đề cụ thể trong hệ thống thông tin trực tuyến (trợ giúp trực tuyến), giúp người dùng nhanh chóng tìm kiếm và tra cứu thông tin liên quan Việc tích hợp xếp tầng thông tin và liên kết trợ giúp này tối ưu hóa trải nghiệm người dùng và cải thiện khả năng khám phá, tra cứu trong hệ thống thông tin trực tuyến.
Thêm vào đó STEP 7 Basic có một hệ thống thông tin toàn diện miêu tả một cách đầy đủ chức năng của các công cụ SIMATIC.
Trợ giúp kiểu mở ra và các thủ thuật về công cụ xếp tầng.
Các trường nhập liệu gồm nhiều hộp thoại khác nhau, và các thẻ nhiệm vụ sẽ gửi phản hồi ở dạng hộp thông báo Hộp thông báo này mở ra để thông báo cho người dùng về phạm vi và các kiểu dữ liệu được yêu cầu, từ đó giúp người dùng điền thông tin chính xác và phù hợp với yêu cầu của hệ thống.
Trong giao diện phần mềm, các phần tử giao diện được thiết kế kèm theo các mẹo và chú thích nhằm giải thích chức năng của chúng cho người dùng Các thủ thuật về công cụ, như tooltip hoặc nhãn mô tả ngắn, giúp người dùng hiểu nhanh cách tương tác và tác vụ liên quan Một số phần tử, ví dụ các biểu tượng “Open”, “Save” hoặc “Close”, không chỉ biểu thị hành động mà còn cung cấp ngữ cảnh sử dụng thông qua mô tả ngắn hoặc hướng dẫn thao tác, từ đó nâng cao trải nghiệm người dùng và hiệu quả sử dụng phần mềm.
Trong giao diện người dùng, một số phần tử hiển thị thông tin bổ sung thông qua cơ chế tooltip Thông tin này được xếp tầng trong hộp công cụ và có một mũi tên đen bên cạnh cho biết dữ liệu thêm có sẵn Để xem chi tiết, người dùng chỉ cần di chuyển con trỏ quanh vùng tooltip; một số tooltip còn cung cấp liên kết đến các chủ đề liên quan trong hệ thống thông tin, và nhấp vào liên kết sẽ hiển thị chủ đề xác định.
Phần mềm STEP 7 Basic cung cấp hệ thống thông tin trực tuyến toàn diện và trợ giúp miêu tả các sản phẩm SIMATIC đã được người dùng cài đặt Hệ thống này đi kèm các thông tin tham khảo và các ví dụ minh hoạ hỗ trợ người dùng trong quá trình làm việc với STEP 7 Để hiển thị hệ thống thông tin, người dùng chọn từ các điểm truy xuất được cung cấp, cho phép truy cập nhanh tới tài liệu tham khảo, hướng dẫn và mẫu mã liên quan đến các thiết bị SIMATIC.
Từ kiểu xem Portal, lựa chọn cổng Start và nhấp chuột vào lệnh “Help”.
Từ kiểu xem Project, lựa chọn lệnh “Show help” trong trình đơn “Help”.
Từ một thủ thuật công cụ xếp tầng, nhấp vào liên kết để hiển thị thông tin bổ sung về chủ đề đó.
Hệ thống thông tin sẽ mở ra trong một cửa sổ mà không che khuất vùng làm việc.
Nhấp vào nút Show/hide contents trên hệ thống thông tin để hiển thị nội dung và thoát khỏi cửa sổ trợ giúp Người dùng có thể thay đổi kích thước của cửa sổ để điều chỉnh giao diện cho phù hợp với nhu cầu Sử dụng các thẻ Contents hoặc Index để tìm kiếm xuyên suốt hệ thống thông tin theo chủ đề hoặc từ khóa, giúp truy cập nhanh tới nội dung liên quan xxiii
Hình 2.4 mô tả giao diện hệ thống thông tin trên phần mềm Step 7 BASIC, cho phép in ấn các chủ đề từ hệ thống thông tin Để in từ hệ thống thông tin, nhấp vào nút "Print" trên cửa sổ trợ giúp.
Hình 2.5 G iao diện hệ thống in ấn xxiv
Hộp thoại in cho phép người dùng lựa chọn các chủ đề để in và đảm bảo danh sách hiển thị ít nhất một chủ đề để chọn Người dùng có thể chọn thêm bất kỳ chủ đề nào khác từ danh sách để in Sau khi đã chọn xong, nhấn nút "Print" để gửi các chủ đề được chọn đến máy in.
Giao diện người máy HMI
Trực quan hóa đã trở thành một yếu tố tiêu chuẩn trong hầu hết các thiết kế máy móc SIMATIC HMI Basic Panels cung cấp các thiết bị màn hình cảm ứng để điều khiển thuật toán cơ bản và giám sát các nhiệm vụ Tất cả các bảng đều có cấp bảo vệ IP65 và được cấp chứng nhận CE, UL, cULus và NEMA 4x.
Hình 2.6 Màn hình KTP 400 BASIC PN
Kích thước: 3,8 inch Độ phân giải: 320 x 240
5 bộ nhận, 20 bản ghi dữ liệu, 20 mục nhập Đơn sắc (STN, dải màu xám)
Màn hình chạm 4 inch với 4 phím tiếp xúc
Kiểu thẳng đứng hay nằm ngang
Hình 2.7 Màn hình KTP 600 BASIC PN
Màn hình chạm 6 inch với 6 phím tiếp xúc
Kiểu thẳng đứng hay nằm ngang
Kích thước: 5,7 inch Độ phân giải: 320 x 240
5 bộ nhận, 20 bản ghi dữ liệu, 20 mục nhập
Hình 2.8 Màn hình KTP 1000 BASIC PN
Kích thước: 10,4 inch Độ phân giải: 640 x 480
5 bộ nhận, 20 bản ghi dữ liệu, 20 mục nhập
Màn hình chạm 10 inch với 8 phím tiếp xúc Kiểu thẳng đứng hay nằm ngang
Hình 2.9 Màn hình KTP 1500 BASIC PN
Kích thước: 15,1 inch Độ phân giải: 1024 x 768
5 bộ nhận, 20 bản ghi dữ liệu, 20 mục nhập
Truyền nhận dữ liệu sử giữa 2 PLC sử dụng mạng Profinet
2.4.1 Truyền thông profinet với khối hàm GET/PUT
Bước 1: Detect cấu hình cho 2 PLC có ết quả như sau: xxvii
Cấu hình cho PLC 1 (Master)
Hình 2.10 Cấu hình PLC MASTER
Hình 2.11 Cấu hình PLC SLAVE Bước 2: Khai báo địa chỉ IP cho 2 PLC.
Địa chỉ PLC Master: 100.100.100.1 xxviii
Hình 2.12 Khai báo địa chỉ cho PLC MASTER
Hình 2.13 Khai báo địa chỉ cho PLC SLAVE Bước 3: Enable khối GET/PUT cho 2 PLC. xxix
+ Vào mục “System constans” sau đó chọn tới mục “Protection”, di chuyển chuột đến mục
+ Tích vào ô trống “Permit access with PUT/GET communication from remote parther”
Như vậy chúng ta đã cho phép truyền thông giữa 2 PLC với nhau.
Hình 2.14 Enable khối hàm GET/PUT Bước 4: Tạo kết nối giữa 2 PLC với nhau.
Tich chuột vào mục devices & Network chúng ta kết nối 2 PLC lại với nhau.
Hình 2.15 Tạo kết nối 2 PLC với nhau Bước 5: download cấu hình 2 PLC xuống
Bước 6: Lập trình với khối nhận/truyền dữ liệu GET/PUT Để lấy khối hàm GET/PUT > communication > S7 communication> kéo khối hàm GET/PUT thả vào Network.
+Lập trình cho khối hàm GET xxx
Hình 2.16 Lập trình cho khối hàm GET
Cấu hình cho khối hàm GET (nhận dữ liệu) như sau:
Vào khối GET > Start cofiguration > Connection> ở mục Parther chọn PLC cần kết nối, cụ thể bài toán ở đây là PLC Slave
Hình 2.17 Cấu hình cho khối hàm GET
+ Lập trình cho khối hàm PUT:
Hình 2.18 Lập trình cho khối hàm PUT xxxi
Cấu hình cho khối hàm PUT (truyền dữ liệu) như sau:
Vào khối PUT > Start cofiguration > Connection> ở mục Parther chọn PLC cần kết nối, cụ thể bài toán ở đây là PLC Slave
Hình 2.19 Cấu hình chô khối hàm PUT
Kiểu dữ liệu của các thông số trên hai khối hàm GET/PUT:
Bảng 2.2 Kiểu dữ liệu của các thông số trên hai khối hàm GET/PUT
Thông số Ngõ vào/ngõ ra
Kiểu dữ liệu Diễn giải
REQ Ngõ vào bool Ngõ vào yêu cầu truyền nhận dữ liệu.
Tại thời điểm ngõ vào này chuyển từ 0 len 1 PLC sẽ truyền nhận dữ liệu
ID Ngõ vào Word ID của đường kết nối mạng
+0: yêu cầu chưa được bắt đầu hoặc vẫn còn đang chạy +1 : nhiệm vụ đã hoàn thành
+ 0: yêu cầu chưa được bắt đầu hoặc vẫn còn đang chạy.
+1: nhiệm vụ đã được hoàn thành
ERROR Ngõ ra bool Chân trạng thái lỗi
STATUS Ngõ ra Word Trạng thái làm việc xxxii
CHƯƠNG 3: HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN- ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
Phương pháp điều khiển hệ biến tần – động cơ không đồng bộ(BT – ĐCKĐB)
Trong hệ BT – ĐCKĐB, động cơ điện không đồng bộ là đối tượng cần được điều khiển về tốc độ và mô-men để đáp ứng tải trọng Trong các thông số điều khiển, tần số nguồn cung cấp là tham số điều khiển rất quan trọng và cho phép đạt được mục tiêu chỉnh cao Để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng phương pháp thay đổi tần số, người ta dùng hệ thống Biến tần - Động cơ không đồng bộ (BT – ĐCKĐB) Hệ thống truyền động điện BT – ĐCKĐB hiện nay được dùng để thay thế cho các hệ truyền động điện một chiều vì nó đảm bảo đầy đủ các chỉ tiêu kỹ thuật và có hiệu quả kinh tế cao hơn hệ truyền động một chiều Điều khiển hệ BĐTS - ĐCKĐB có 03 phương pháp chủ yếu sau:
- Điều khiển vô hướng (SFC: Scalar Frequency Control).
- Điều khiển định hướng theo từ trường (FOC: Field Oriented Control)
- Điều khiển trực tiếp mômen (DTC: Direct Toque Control)
Phương pháp điều khiển vô hướng (U/f bằng hằng số) nhằm duy trì từ thông stator ψs không đổi trong suốt quá trình điều chỉnh tần số Khi điều khiển tần số và giữ từ thông khe hở không đổi, động cơ sẽ vận hành ở hiệu suất tối đa và có khả năng sinh mô-men lớn nhất Nhờ những ưu điểm sẵn có của động cơ không đồng bộ, các hệ truyền động dùng loại động cơ này được hưởng lợi về mặt kinh tế và tính chắc chắn.
Phương pháp này dễ thực hiện nhưng tồn tại nhược điểm đáng kể: tổn thất công suất ΔP và tiêu thụ công suất phản kháng Q không phải là nhỏ, làm giảm hiệu quả năng lượng của hệ thống Việc ổn định tốc độ gặp khó khăn do giới hạn của hệ truyền động, dù cấu trúc đơn giản nhưng độ chính xác tốc độ và đáp ứng mômen còn kém Hệ truyền động cũng không thể đảm bảo điều khiển tốt các đáp ứng về mômen và từ thông, dẫn đến hạn chế trong điều khiển động cơ Vì vậy, điều khiển vô hướng được ứng dụng trong công nghiệp khi yêu cầu không cao về điều chỉnh sâu tốc độ.
Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động theo phương pháp điều khiển vô hướng được biểu diễn trên hình 2.7.
Sơ đồ cấu trúc gồm hai phần:
Phần lực của hệ thống gồm hai khối chính là khối chỉnh lưu (CL) và khối nghịch lưu (NL) Khối chỉnh lưu biến đổi điện áp xoay chiều từ mạng điện công nghiệp thành điện áp một chiều và cấp nguồn cho khối nghịch lưu Khối nghịch lưu thường sử dụng các khóa đóng cắt IGBT để thực hiện biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có các đặc tính điều khiển được về biên độ và tần số, phù hợp với yêu cầu của hệ thống.
Udc ở đầu ra khối CL được biến đổi thành điện áp xoay chiều để cấp nguồn cho động cơ ASM là động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc, hoạt động dựa trên nguồn điện xoay chiều từ khối CL C là tụ lọc trong mạch, chịu trách nhiệm lọc nhiễu và ổn định điện áp cung cấp cho hệ thống.
Phần điều khiển của hệ thống gồm các khâu chính sau: khâu tạo tín hiệu điều khiển nghịch lưu theo nguyên lý điều chỉnh độ rộng xung (Driver NL PWM); khâu điều chỉnh biên độ điện áp ra nghịch lưu (ĐCA) nhằm điều chỉnh mức điện áp cung cấp cho tải; các cảm biến đo dòng (SI) và đo tốc độ (TG) cung cấp dữ liệu thời gian thực cho bộ điều khiển; khâu biến đổi dòng ba pha của động cơ thành điện áp một chiều tỉ lệ với giá trị hiệu dụng của dòng điện một pha (BĐD) để tối ưu hóa quá trình xử lý và điều khiển hệ thống.
XL là khâu gia công tín hiệu dòng điện và tốc độ động cơ nhằm ổn định động hệ thống Tín hiệu đặt tốc độ của hệ (THĐ) được đưa đến khối đặt tần số để xác định tần số ra của NL, đồng thời THĐ được tổng hợp với tín hiệu đầu ra của khối điều khiển nhằm điều chỉnh tần số và biên độ tín hiệu truyền tới động cơ, từ đó tối ưu hóa phản hồi và độ ổn định của hệ thống.
XL được dùng để khống chế biên độ điện áp ra của biến tần, nhằm ổn định quá trình biến đổi và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống Các tín hiệu Sa, Sb, Sc là các chuỗi xung dùng để điều khiển các khoá IGBT trong ba pha của nghịch lưu Việc thay đổi tần số ở giai đoạn khởi động được ĐTS quyết định, còn việc điều chỉnh điện áp được thực hiện bởi ĐCA.
Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển vô hướng hệ BĐTS - ĐCKĐB
3.1.2 Điều khiển định hướng theo từ trường
Áp dụng phép biến đổi tuyến tính không gian vector lên động cơ KĐB do Kovács và Park đề xuất mở ra một hướng điều khiển vector cho động cơ KĐB Vào năm 1971, Siemens đề xuất tiếp cận điều khiển vector định hướng theo từ thông rotor ψr Phương pháp này dựa trên ý tưởng sử dụng công cụ biến đổi vector để ước lượng các đại lượng vector từ thông, từ đó nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong điều khiển động cơ.
r và điều chỉnh nó Còn mômen động cơ điều chỉnh qua thành phần vector dòng stato
Phương pháp này xem rotor như phần cảm và stator như phần ứng, hai bộ phận được phân ly với nhau như trong máy điện một chiều kích từ độc lập Nhờ sự phân ly này, điều khiển vector định hướng theo trường roto (FOC) có thể ổn định tốt ở tốc độ gần không và cạnh tranh hiệu quả với truyền động của động cơ DC Ngày nay, phương pháp này được gọi là điều khiển vector định hướng theo trường roto (FOC).
Thông qua các phép biến đổi của Kovács và Park, các đại lượng vô hướng như điện áp, dòng điện và từ thông được chuyển đổi sang dạng vectơ không gian Việc điều khiển riêng biệt các thành phần dòng điện d và q cho phép gián tiếp điều khiển từ thông và mô-men rotor Trong bộ điều khiển, hai phép biến đổi ngược được thực hiện: từ hệ quy chiếu d–q về α–β và từ d*–q* về a*, b*, c* Động cơ không đồng bộ có thể được điều khiển ở trạng thái như ĐCMC kích từ độc lập.
Xét hệ truyền động điện 1 chiều kích từ độc lập, có các phương trình cơ bản:
M: là mômen quay của động cơ. ΦI :là từ thông của động cơ.
I:là dòng điện phần ứng của động cơ.
IK:là dòng kích từ động cơ.
K,KΦI : là các hằng số của động cơ
Theo phương trình (2.2), từ thông động cơ ΦI chỉ phụ thuộc vào dòng kích từ IK, nên có thể điều khiển ΦI một cách dễ dàng bằng cách điều chỉnh IK Ở mỗi điểm làm việc, từ thông được ổn định ở một giá trị cố định, do đó momen quay M tỷ lệ thuận với dòng phần ứng I.
Trong động cơ điện một chiều kích từ độc lập, từ thông ΦI tỷ lệ thuận với IK và mô men quay M tỷ lệ thuận với I Hai dòng I và IK có thể được dùng trực tiếp làm đại lượng điều khiển cho từ thông và mômen quay của động cơ Ở động cơ không đồng bộ ba pha, sau khi xây dựng vector không gian cho các đại lượng dòng, áp và từ thông và sau đó chuyển các vector này sang hệ tọa độ từ thông rotor (tọa độ dq), ta thu được các quan hệ liên hệ giữa các thành phần dq của từ thông và dòng điện, cho phép mô phỏng và điều khiển động cơ theo trạng thái dq.
Với: ψrd: là phần tử d của vector từ thông rotor.
Isd,Idq: là phần tử d và q của vector dòng stator mM: là momen quay của động cơ.
Lr, Lm: là điện cảm rotor, hỗ cảm giữa stator và rotor. xxxv θs2s2
U*sdIs2 U*sqIs1 pp: số đôi cực của động cơ.
Tr: hằng số thời gian của rotor.
Từ hệ phương trình (2.3) cho thấy từ thông rotor có thể được điều chỉnh gián tiếp thông qua điều chỉnh dòng Isd, dòng Isd là đại lượng điều khiển của từ thông rotor và được gọi là dòng kích từ, tương đương với IK của ĐCMC Mômen động cơ được điều khiển thông qua dòng Isq, vì vậy Isq được xem là dòng tạo mômen quay và tương đương với dòng phần ứng I của ĐCMC Thành phần Isd nằm cùng phương với từ thông nên tạo ra rotor từ thông, còn thành phần Isq vuông góc với từ thông nên là thành phần tạo mômen Bằng cách điều chỉnh độc lập hai thành phần dòng điện trên hai trục vuông góc của hệ tọa độ quay đồng bộ với vector từ thông rotor, ta có thể điều chỉnh mômen quay của động cơ.
Hình 3.2 Điều khiển độc lập hai thành phần dòng điện mômen và kích từ
3.1.3 Điều khiển trực tiếp mômen
Phương pháp Điều khiển trực tiếp mô-men (DTC) điều chỉnh trực tiếp mô-men điện từ của động cơ, còn tốc độ là đại lượng điều khiển gián tiếp Ý tưởng cốt lõi là điều khiển vị trí của vectơ từ thông Stato để điều khiển mô-men động cơ, dựa trên tác động trực tiếp của các vectơ điện áp lên vectơ từ thông của stato Các vectơ điện áp được lựa chọn dựa trên sai lệch giữa từ thông stato và mô-men điện từ với các giá trị đặt Tùy thuộc vào trạng thái sai lệch của từ thông và mô-men điện từ, một vectơ điện áp tối ưu đã định trước được chọn để điều chỉnh đại lượng về đúng với lượng đặt Như vậy, ưu điểm của phương pháp này là chỉ quan tâm đến các vectơ trạng thái mà không cần xác định vị trí của roto, nên đơn giản, ít phụ thuộc vào các thông số của động cơ, đáp ứng mô-men nhanh và linh hoạt.
Các phương pháp điều khiển hệ truyền động nhiều động cơ
Trong hệ truyền động nhiều động cơ, nhiệm vụ điều khiển các động cơ không đồng bộ công suất lớn đòi hỏi bảo đảm hoà hợp về mômen điện từ giữa các máy nhằm vận hành ổn định và tối ưu hệ thống Các động cơ trong hệ có thể làm việc với các điều kiện khác nhau, từ tải, tốc độ đến nguồn điện và môi trường, khiến thông số kỹ thuật của mỗi động cơ biến đổi và ảnh hưởng tới chế độ làm việc của toàn hệ thống Vì vậy sự đồng bộ giữa các máy và quản lý điều khiển truyền động là yếu tố quyết định, tác động đến khả năng khởi động, khả năng chịu tải, rung động và hiệu suất tổng thể Bám sát hoà hợp mômen điện từ và biến thiên điều kiện làm việc giúp tối ưu thông số và chế độ làm việc của hệ truyền động nhiều động cơ.
Trong hệ thống truyền động điện nhiều động cơ, sự thay đổi mômen của một động cơ so với giá trị yêu cầu sẽ dẫn đến sự thay đổi mômen tổng của hệ thống, gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng điều chỉnh ở cả chế độ tĩnh và chế độ động Vì vậy, bài toán cơ bản để xây dựng hệ thống điều khiển nhiều động cơ chính là thiết kế phương pháp điều khiển nhằm duy trì sự đồng bộ của mômen tổng của truyền động Để giải quyết bài toán này, yếu tố quan trọng nhất là phương pháp đấu nối các động cơ vào lưới điện sao cho đảm bảo cân bằng mômen và ổn định cho hệ thống, từ đó tối ưu hóa hiệu suất điều khiển.
Trong trường hợp chung nhất có thể có hai phương pháp đấu nối động cơ không đồng bộ như hình vẽ 2.9.
Trường hợp thứ nhất (Hình 2.9-a) các động cơ được cấp nguồn từ các bộ biến tần riêng biệt.
Trường hợp thứ hai (Hình 2.9-b) các động cơ được cấp nguồn từ chung một biến tần. xxxvii §C1
BTn §Cn BT1 §C1 §Cn BT
~ 3 pha 380V 50Hz a) Các động cơ được cấp nguồn từ các bộ biến tần riêng biệt b) Các động cơ được cấp nguồn từ một biến tần
Hình 3.3 Phương pháp đấu nối động cơ không đồng bộ
Trong một hệ thống truyền động điện đa động cơ, mỗi động cơ được điều khiển bằng một bộ biến tần riêng biệt, khiến các động cơ làm việc độc lập về điện và không có sự liên hệ điện giữa chúng Vì vậy, việc điều khiển mô-men từ cho cả hệ thống có thể sử dụng bất kỳ phương pháp điều khiển mô-men từ đã biết nào Nhờ đặc điểm này, có thể điều chỉnh đồng nhất mô-men điện từ trên các động cơ, ngay cả khi các thông số kỹ thuật hoặc đặc tính động cơ khác nhau, giúp tối ưu hóa hiệu suất và đáp ứng tải đồng bộ.
Trong trường hợp một nhóm động cơ không đồng bộ được cấp nguồn chung từ một bộ biến tần như hình 2.9-b, các động cơ sẽ vừa liên hệ với nhau về cơ, vừa liên hệ với nhau về điện Vì vậy, các thông số của các động cơ trong hệ truyền động phải hoàn toàn đồng nhất để đảm bảo sự đồng bộ và ổn định vận hành Nếu các tham số của các động cơ không đồng nhất (như công suất, điện áp, tần số và đặc tính tải), điều này có thể ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển và hiệu suất làm việc của cả hệ truyền động.
Xét kiểu đấu nối hệ thống theo sơ đồ hình 2.9-a, các động cơ được cấp nguồn từ các biến tần riêng biệt, nên phương pháp điều khiển biến tần có thể thực hiện theo ba cách: điều khiển song song (độc lập) cho từng động cơ, điều khiển nối tiếp giữa các biến tần, và điều khiển hỗn hợp giữa hai phương án; bài viết sẽ xem xét chi tiết từng phương pháp điều khiển cho hệ truyền động nhiều động cơ dựa trên động cơ xoay chiều, nhằm phân tích ưu nhược điểm và ứng dụng thực tế của từng cấu hình.
3.2.2 Điều khiển song song (độc lập) hệ truyền động nhiều động cơ trên cơ sở động cơ xoay chiều
Trong cấu hình điều khiển song song, sơ đồ cấu trúc của hệ thống được mô tả tại hình 28 Mỗi nhánh điều khiển gồm một biến tần và một động cơ tương ứng: nhánh 1 với Biến tần 1 và Động cơ 1 cùng các đại lượng ω1(t) và φ1(t); nhánh 2 với Biến tần 2 và Động cơ 2 cùng các đại lượng ω2(t) và φ2(t); đến nhánh n với Biến tần n và Động cơ n cùng các đại lượng ωn(t) và φn(t) Các nhánh này hoạt động song song để thực hiện điều khiển đồng bộ, tăng tính linh hoạt, độ ổn định và khả năng mở rộng của hệ thống.
Hình 3.4 Sơ đồ khối chức năng điều khiển song song hệ truyền động nhiều động cơ xoay chiều
Trong hệ truyền động gồm nhiều động cơ hoạt động song song, các biến tần nhận tín hiệu điều khiển độc lập và tỷ lệ tốc độ giữa các động cơ được xác định bằng hệ số k_i đưa vào các bộ điều khiển thành phần Do đó, sự thay đổi tín hiệu điều khiển của một bộ điều khiển thành phần sẽ không ảnh hưởng đến tín hiệu điều khiển của các bộ điều khiển khác; tín hiệu điều khiển cho từng thành phần có nguồn từ một bộ điều khiển tổng (như PLC) hoặc từ các bộ điều khiển riêng lẻ Vì vậy, khi thay đổi tỷ số tốc độ của một truyền động thành phần, chỉ truyền động ấy bị ảnh hưởng, còn các truyền động khác giữ nguyên tốc độ.
3.2.3 Điều khiển nối tiếp hệ truyền động nhiều động cơ trên cơ sở động cơ xoay chiều
Trong điều khiển nối tiếp, có thể xây dựng thuật toán điều khiển theo sơ đồ được trình bày ở hình 2.9 hoặc hình 2.10 Mỗi nhánh điều khiển kết nối một biến tần với một động cơ và cung cấp các tín hiệu điều khiển ωi(t) và φi(t) cho động cơ thứ i; ví dụ điều khiển 1 gồm biến tần 1 và động cơ 1 với ω1(t) và φ1(t), điều khiển 2 gồm biến tần 2 và động cơ 2 với ω2(t) và φ2(t), và cứ thế cho tới điều khiển n với biến tần n và động cơ n có ωn(t) và φn(t).
Hình 3.5 trình bày sơ đồ điều khiển nối tiếp theo tín hiệu đặt cho hệ truyền động nhiều động cơ dựa trên động cơ xoay chiều Trong sơ đồ này, mỗi kênh điều khiển đi kèm một biến tần và một động cơ tương ứng: Điều khiển 1 có Biến tần 1 và Động cơ 1 với các tham số ω1(t) và φ1(t); Điều khiển 2 có Biến tần 2 và Động cơ 2 với ω2(t) và φ2(t); và lần lượt cho đến Điều khiển n với Biến tần n và Động cơ n với ωn(t) và φn(t) Mô hình này làm rõ cách tín hiệu điều khiển được đặt và truyền qua các biến tần, điều khiển từng động cơ trong chuỗi để quản lý tốc độ và pha góc của từng động cơ trong hệ truyền động đa động cơ dựa trên nguồn cấp AC.
Hình 3.6 Sơ đồ điều khiển nối tiếp theo tín hiệu ra hệ truyền động nhiều động cơ trên cơ sở động cơ xoay chiều xl
Trong cấu trúc điều khiển nối tiếp các truyền động thành phần của hệ truyền động nhiều động cơ theo tín hiệu đặt (hình 2.9), các truyền động thành phần sẽ duy trì tốc độ ở các tỷ lệ với nhau nhờ các hệ số ki Các hệ số ki định nghĩa mối quan hệ giữa tốc độ của từng truyền động và giúp đồng bộ hóa toàn bộ hệ thống Khi tín hiệu điều khiển được áp dụng, tốc độ của mỗi thành phần sẽ điều chỉnh theo tỉ lệ đã xác định bởi các hệ số ki, đảm bảo sự phối hợp chính xác giữa các động cơ Nhờ đó hệ truyền động nhiều động cơ hoạt động ổn định, đạt hiệu suất cao và đáp ứng đúng yêu cầu đặt trước.
Trong hệ truyền động nhiều động cơ, điều khiển nối tiếp các truyền động thành phần theo tín hiệu đặt giúp đồng bộ hóa tốc độ giữa các trục Khi tín hiệu điều khiển được giữ không đổi và ta chỉnh một trong các tỷ số truyền bằng cách thay đổi một hệ số tham chiếu nào đó, sự biến đổi này sẽ lan rộng và làm thay đổi toàn bộ tốc độ của các truyền động thành phần phía sau.
Trong điều khiển nối tiếp theo tín hiệu ra của hệ truyền động nhiều động cơ xoay chiều (hình 2.10), tín hiệu ở động cơ trước (tốc độ hoặc vị trí) được dùng làm tín hiệu điều khiển cho động cơ sau, tạo thành chu trình điều khiển liên tục giữa các thành phần Tín hiệu phản hồi được thu thập từ các bộ cảm biến tương ứng để đóng vòng điều khiển và đảm bảo điều khiển chính xác Tuy nhiên, với sơ đồ này, tín hiệu điều khiển cho các truyền động đứng sau sẽ có sự trễ nhất định do quán tính của hệ truyền động đứng trước cùng với quán tính của các thiết bị cảm biến.
Ngoài các thuật toán điều khiển cho hệ truyền động nhiều động cơ trên cơ sở biến tần - động cơ như trên, ta có thể sử dụng phương pháp điều khiển hỗn hợp, bằng cách kết hợp của các phương pháp điều khiển trên Trong thực tế, tùy theo yêu cầu công nghệ mà hệ truyền động nhiều động cơ có thể áp dụng theo phương pháp điều khiển nối tiếp, song song hoặc là hỗn hợp nhằm đạt được những yêu cầu sản xuất. xli
ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NHIỀU ĐỘNG CƠ KĐB
Kết nối màn hình HMI với PLC bằng phần mềm TIA Portal
Sau khi kết nối PLC với máy tính thông qua cổng kết nối profinet, chúng ta tiến hành lựa chọn màn hình HMI để điều khiển và giám sát quá trình.
Bước 1: Tiến hành lựa chọn loại màn hình HMI tương ứng với module HMI (KTP700 basic).
Hình 4.1 Lựa chọn loại màn hình HMI
(1) vào “Add new device” để add thêm device HMI.
(3) chọn mã HMI tương ứng với module HMI.
Bước 2 Kết nối PLC với màn hình HMI.
(1) Kết nối HMI với PLC.
(2) vào mục Browse chọn PLC kết nối (3) Tích vào (4) để hoàn thành kết nối xlii
Hình 4.2 Kết nối màn hình HMI với PLC Bước 3: Cài đặt nút ấn trên màn hình.
Hình 4.3 Cài đặt nút nhấn trên màn hình xliii
(1) Cài đặt nút ấn trên màn hình.
(2) chọn vị trí nút ấn nếu dùng (Không sử dụng có thể bỏ qua).
(3) chọn Finish để kết thúc cài đặt, cấu hình HMI.
Bước 4: Viết chương trình thể hiện đầu vào/ra của PLC trên màn hình HMI Sau khi thiết kế xong giao diện màn hình, ta có giao diện hiển thị với các tín hiệu đầu vào của PLC gồm 4 đầu vào: Drive Enable, Run Forward, Run Reverse và Stop All, cho phép người vận hành quan sát trạng thái hệ thống và điều khiển PLC trực tiếp từ màn hình HMI.
Tương ứng với 4 địa chỉ trong chương trình lần lượt là: M500.0; M500.1;M500.2; M500.3
Địa chỉ của PLC, HMI và cách thức gán ghép địa chỉ, kết nối
4.2.1 Tiến hành gán địa chỉ vào
Tại chương trình “root screen” của chương trình HMI ta tiến hành các bước như sau: xliv
To configure the Drive Enable control, right-click the Drive Enable button and choose Properties (or press Alt+Enter); switch to the Events tab and assign the actions, setting the Press function to Setbit and the Repress function to Resetbit.
Hình 4.5 Tiến hành gán địa chỉ từ chương trình PLC vào màn hình HMI (1)
Hình 4.6 Tiến hành gán địa chỉ từ chương trình PLC vào màn hình HMI (2) Bước 2: Tiến hành chọn địa chỉ trong chương trình PLC cho các nút nhấn: xlv
Hình 4.7 Chọn địa chỉ cho các nút ấn
Chọn (1) hiển bảng thị các địa chỉ trong chương trình PLC.
Chọn (2) mục PLC tag để hiển thị các địa chỉ.
Chọn (3) lựa chọn địa chỉ cần gán.
Các nút nhấn Run Forward, Run Reverse, Stop All còn lại tiến hành gán địa chỉ tương tự.
4.2.2 Tiến hành gán địa chỉ giá trị đặt, giá trị tần số của 2 động cơ đang hoạt động
Cho 2 chương trình PLC Master và Chương trình HMI chạy song song với nhau trên màn hình máy tính.
Tiến hành giữ chuột phải và kéo địa chỉ từ chương trình Master sang chương trình HMI.
Các giá trị xuất lên màn hình HMI sẽ tương ứng với các địa chỉ là: giá trị tần số đặt sẽ tương ứng với địa chỉ là: MD300.
Giá trị tần số của động cơ master tương ứng với địa chỉ là: M104.
Giá trị tần số của động cơ Slave tương ứng với địa chỉ là: MD200.
Trong hệ thống PLC hai PLC, giá trị “f out slave” trong chương trình PLC slave được xác định là MD104, nhưng mọi giá trị đều phải chuyển về PLC master trước khi hiển thị lên màn hình HMI Để thực hiện điều này, trong chương trình Slave sử dụng lệnh Move: MD104 sang MD200 Qua truyền thông 2 PLC (hàm GET), PLC master nhận được giá trị MD200 và hiển thị lên màn hình HMI, đảm bảo dữ liệu trên HMI phản ánh đúng giá trị từ master sau khi nhận từ slave.
Hình 4.8 Cho hai chương trình chạy song song, tiến hành gán giá trị đặt từ chương trình PLC vào màn hình HMI.
Thiết kế và chạy chương trình
4.3.1 Sơ đồ cấu trúc của bài toán:
Hình 4.9 Sơ đồ cấu trúc bài toán cho hệ một biến tần
Hình 4.10 Sơ đồ cấu trúc bài toán cho hệ hai biến tần
PID là bộ điều khiển phổ biến nhất trong các bộ điều khiển phản hồi và là cơ chế phản hồi vòng đóng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp Nó tính toán sai số bằng hiệu giữa giá trị đo được của biến quá trình và giá trị đặt mong muốn, sau đó điều chỉnh đầu vào để giảm tối đa sai lệch Khi chưa có kiến thức cơ bản về mô hình toán học của hệ thống, bộ điều khiển PID có thể mang lại kết quả tốt nhất; tuy nhiên để đạt hiệu quả tối ưu, các tham số PID cần được điều chỉnh dựa trên tính chất của hệ thống và đặc thù của từng ứng dụng.
I: Intergrative -> Khâu nguyên hàm (tích phân)
D: Derivative -> Đạo hàm (Vi phânn) Điều khiển PID = điều khiển vi tích phân tỉ lệ, chỉ áp dụng cho một hệ vào ra.
+ Triệt tiêu sai số xác lập.
+ Giảm thời gian xác lập và độ vọt lố.
+ Hạn chế giao động. xlviii
Hình 4.12 Cấu trúc bộ điều khiển PID
Setpoint là giá trị đặt để điều khiển, OutPut là giá trị ngõ ra của hệ thống được hồi tiếp để so sánh với giá trị đặt Sai số (Error) là sự khác biệt giữa tín hiệu đặt và tín hiệu thực tế Sai số này được đưa vào bộ điều khiển PID để tạo ra tín hiệu tác động tương ứng, từ đó điều chỉnh hệ thống quá trình nhằm đạt được giá trị đặt mong muốn.
Các tham số Kp, Ki và Kd là những tham số quan trọng của bộ điều khiển PID và cần được lựa chọn kỹ càng Việc tối ưu các tham số Kp, Ki và Kd giúp hệ thống điều khiển hoạt động ổn định, đảm bảo ngõ ra (Output) tiệm cận với giá trị Setpoint và cải thiện đáp ứng điều khiển.
Hình 4.13 Điều khiển với bộ điều khiển PID
+ Sai số xác lập: ( ) lim ( ) lim ( ) 0 t s e e t s E s
Sai số xác lập không chỉ phụ thuộc vào cấu trúc và thông số của hệ mà còn phụ thuộc vào tín hiệu vào. xlix
Sai số xác lập phụ thuộc vào số lượng khâu lí tưởng có trong hàm truyền hở G(s)H(s):
+ Hệ thống có khâu tích phân: luôn có sai số xác lập.
+ 1 khâu tích phân: exl =0 với tín hiệu vào là hàm nấc.
+ 2 khâu tích phân: exl =0 với hàm dốc và hàm nấc.
+ 3 khâu tích phân: exl = 0 với hàm dốc, hàm nấc và hàm parabol.
+ Hệ có n khâu tích phân lí tưởng gọi là hệ vi sai bậc n.
4.3.2.2 Các khâu trong bộ PID. a Khâu tỉ lệ (Proportional).
Hàm truyền: K(s) = Kp Đặc tính thời gian: Y(s)= Kp.G(s).E(s)
Hình 4.14 Điều khiển với khâu tỉ lệ Nhận xét:
Kp càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh
Kp càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ (Nhưng không thể triệt tiêu)
Kp càng lớn thì các cực của hệ thống có xu hướng di chuyển ra xa trục thực =>
Hệ thống càng dao động và độ vọt lố càng cao.
Nếu Kp tăng quá giá trị giới hạn thì hệ thống sẽ dao động không tắt dần => Mất ổn định. b Khâu tích phân (Integaration).
Hàm truyền: K(s) =KI /S. Đặc tính thời gian: Y(s) = K I G(s).E(s)/s.
Hình 4.15 Điều khiển với khâu tích phân Nhận xét:
Tín hiệu ngõ ra được xác định bởi sai số.
Ki càng lớn thì đáp ứng quá độ càng chậm.
Ki càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ Đặc biệt, hệ số khuếch đại của khâu tích phân tăng vô cùng khi tần số tiến tới 0, điều này triệt tiêu sai số xác lập đối với tín hiệu đầu vào ở dạng hàm nấc và cải thiện đáp ứng bước của hệ.
Ki càng lớn thì độ vọt lố càng cao. c Khâu vi phân (Derivative).
Hàm truyền: K(s)= KD.S Đặc tính thời gian: Y(s)= KD.G(s).E(s).s
Hình 4.16 Điều khiển với khâu vi phân Nhận xét:
KD càng lớn thì đáp ứng quá độ càng nhanh.
KD càng lớn thì độ vọt lố càng nhỏ.
Hệ số khuếch đại tại tần số cao là vô cùng lớn nên khâu hiệu chỉnh D rất nhạy với tần số cao.
Khâu vi phân không thể sử dụng một mình mà phải dùng kết hợp với các khâu P hoặc I. li
4.3.2.3 Các phương pháp tìm thông số PID (Kp, Ki, Kd).
Phương pháp chỉnh định bằng tay.
Phương pháp dùng phần mềm.
Phương pháp Cohen-Coon là một kỹ thuật chỉnh định PID bằng tay nhằm tối ưu hóa đáp ứng hệ thống điều khiển Đầu tiên đặt Ki = 0 và Kd = 0, sau đó tăng tham số Kp cho đến khi hệ thống dao động tuần hoàn xuất hiện Chu kỳ dao động được dùng làm cơ sở để xác định thời gian tích phân, và thời gian tích phân được thiết lập dựa trên chu kỳ này Cuối cùng điều chỉnh lại giá trị Kp cho phù hợp với mong muốn về đáp ứng động của hệ thống.
Nếu có dao động thì điều chỉnh giá trị Kd Theo phương pháp Ziegler–Nichols, đặt Ki = 0 và Kd = 0, tăng Kp cho tới khi hệ thống dao động tuần hoàn; ghi nhận giá trị Kc và đo chu kỳ dao động Pc để xác định tham số điều khiển tiếp theo.
Bảng 4.1 Bảng phương pháp điều chỉnh Ziegler-Nichols c Phương pháp chỉnh định bằng phần mềm.
Dùng phần mềm để tự động điều chỉnh thông số PID (Thực hiện trên mô hình toán, kiểm nghiệm trên mô hình thực.
Ví dụ, ta dùng giải thuật di truyền (GA) để tìm các tham số sao cho sai số đo được nhỏ hơn giá trị yêu cầu Trong đồ án này, chúng ta sẽ sử dụng phương pháp chỉnh định bằng phần mềm để điều chỉnh thông số bộ PID nhằm ổn định tốc độ động cơ Quá trình tối ưu tham số PID bằng GA giúp cân bằng giữa độ ổn định và khả năng đáp ứng, giảm thiểu quá trình quá điều khiển và rung động hệ thống Việc chỉnh sửa trên phần mềm cho phép mô phỏng và tinh chỉnh trước khi triển khai thực tế, đảm bảo cấu hình PID tối ưu cho hệ thống động cơ.
4.3.2.4 Sử dụng hàm PID trong PLC S7-1500.
Bước 1: Tạo block OB Cyclic interrupt, Mục đích để gọi hàm PID theo chu kỳ thời gian định sẵn (Mặc định 100ms). lii
Hình 4.17 Tạo khối block OB Cyclic interrupt
Bước 2: Vào mục technology lấy hàm PID compact (Loại PID Universal: Đa năng).
Sau khi chọn ta được kết quả như sau:
Giải thích ý nghĩa các chân trong hàm PID compact:
Setpoint: Giá trị đặt mong muốn.
Input: Nếu sử dụng ngõ này thì sử dụng giá trị sau khi xử lý tín hiệu ngõ vào analog.
Input_Per is the pin used to read the sensor feedback via the analog input When you connect the analog input address of the sensor feedback directly to this pin, the reading yields an integer value from 0 to 27648 If you use this pin, the Setpoint must be configured from 0% to 100% to reflect the desired operating level. -**Support Pollinations.AI:** -🌸 **Ad** 🌸Powered by Pollinations.AI free text APIs [Support our mission](https://pollinations.ai/redirect/kofi) to keep AI accessible for everyone.
Output: Xuất ra con số theo dạng phần trăm từ 0% đến 100%. liii
Output_Per: Xuất ra dạng interger từ 0-27648, gắn trực tiếp địa chỉ ngõ ra analog vào chân này.
Outpuut_PWM: Xuất ra dạng xung đóng ngắt tần số cao.
Kết quả khai báo ngõ vào/ra hàm PID của bài toán ta được như sau:
Hình 4.19 Khai báo các giá trị cho bộ PID
Bước 3: Cấu hình cho hàm PID:
In the Controller Type section, select the sensor type and, since the goal is speed stability, choose the Frequency mode with the unit set to Hz Also enable Activate mode after CPU restart to preserve the last operating state after a reboot.
Mục input parameter: chọn ngõ vào là Input, ngõ ra là Output_per.
Sau khi cài đặt chúng ta được kết quả như hình dưới đây:
Hình 4.20 Cấu hình cho hàm PID
Tiếp theo vào mục: Process value setting chúng ta tiến hành cài đặt như hình: liv
Hình 4.21 Cấu hình cho hàm PID
Bước 4: Sau khi hoàn tất quá trình trên chúng ta bắt đầu chạy chương trình:
Pretuning sẽ dò tìm các tham số PID ở mức khoảng 70-80% và sau đó tự động tắt chế độ Pretuning; sau khi Pretuning hoàn thành, chúng ta tiến hành Start Trong giai đoạn Fine Tuning, khi kết thúc quá trình này, ta xem các thông số PID và tiến hành Upload PID Parameter; sau khi Upload PID Parameter hoàn tất, PID sẽ hoạt động ở chế độ Auto Mode.
Hình 4.22 PID đang tiến hành chạy chế độ Fine Tuning
Hình 4 23 PID sau khi tuning xong đang tiến hành chạy ở chế độ Auto Mode lvi
Hình 4.24 Giá trị chỉnh định của bộ PID PLC Master sau khi chạy bằng phần mềm. lvii
Hình 4.25 Giá trị chỉnh định của bộ PID PLC Slave sau khi chạy bằng phần mềm
4.3.2 Chương trình PLC Master lviii lix lx
Chương trình PID Master lxi
Chương trình giả lập feedback động cơ bằng xung clock nếu chạy mô phỏng WinCC lxii lxiii
4.3.3 Chương trình PLC Slave lxiv lxv
Chương trình PID PLC Slave.
Chương trình giả lập feedback của động cơ bằng xung clock PLC Slave. lxvi lxvii
Sơ đồ kết nối trên phần mềm TIA:
Hình 4.21 sơ đồ kết nối trên phần mềm TIA Portal
4.3.4 Các giá trị hiển thị lên màn hình HMI
Hình 4.26 Giá trị đặt và phản hồi của động cơ ở tần số 5HZ lxviii
Hình 4.27 Giá trị đặt và phản hồi của động cơ ở tần số 10HZ
Hình 4.28 Giá trị đặt và phản hồi của động cơ ở tần số 20HZ lxix
Hình 4.29 Giá trị đặt và phản hồi của động cơ ở tần số 40HZ
Hình 4.30 Giá trị đặt và phản hồi của động cơ ở tần số 50HZ
4.4.5 Các giá trị hiển thị lên WinCC lxx
Hình 4.32 Giá trị đặt và phản hồi ở tần số 5Hz lxxi
Hình 4.33 Giá trị đặt và phản hồi ở tần số 10 Hz
Hình 4.34 Giá trị đặt và phản hồi ở tần số 20 Hz lxxii
Hình 4.35 Giá trị đặt và phản hồi ở tần số 40 Hz
Hình 4.36 Thông số P.I.D ổn định tốc độ của Master và Slave Kết luận chương 4:
Trong chương 4, bài viết trình bày cách điều khiển và giám sát đồng thời nhiều động cơ không đồng bộ ba pha bằng mạng Profinet trên nền PLC S7-1500 và hệ thống HMI, đồng thời mô tả chi tiết việc lập trình màn hình điều khiển HMI nhằm mục đích điều khiển và giám sát tần số của động cơ.
Như vậy kết thúc chương 4 cũng là phần kết thúc nội dung chính của đồ án. lxxiii
Đồ án "Điều khiển và giám sát nhiều động cơ không đồng bộ ba sử dụng mạng Profinet trên nền PLC S7‑1500 và màn hình HMI" đã được triển khai đầy đủ và trình bày hệ thống trong bốn chương, gồm phân tích yêu cầu, thiết kế kiến trúc điều khiển, triển khai và kiểm chứng phần mềm PLC và HMI, cũng như đánh giá hiệu suất vận hành Kết quả cho thấy hệ thống có khả năng đồng bộ điều khiển và giám sát ba động cơ không đồng bộ với độ tin cậy cao, giao diện người dùng trực quan và dễ vận hành trên màn hình HMI Những bài học kinh nghiệm rút ra tập trung vào tối ưu tham số điều khiển, tăng cường độ ổn định của truyền thông Profinet và nâng cao tính mở rộng của hệ thống Đề xuất hướng phát triển tiếp theo gồm tăng cường an toàn và bảo mật mạng, tối ưu hóa giao thức Profinet cho mạng công nghiệp, mở rộng số lượng động cơ và bổ sung các chức năng giám sát từ xa, báo cáo sự cố và tự động điều chỉnh tham số theo tải trọng thay đổi, nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và khả năng quản lý hệ thống truyền động trong các ứng dụng thực tế.
Chương 1: Tổng quan về mạng truyền thông công nghiệp.
Chương 2: Truyền thông profibus cho PLC S7 – 1500.
Chương 3: Hệ truyền động biến tần động cơ không đồng bộ ba pha.
Chương 4: Điều khiển và giám sát nhiều động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng mạng Profinet trên nền PLC S7-1500 và HMI.
- Các công việc đã thực hiện trong Đồ án:
+ Truyền thông giữa 2 PLC S7-1500 sử dụng mạng Profinet.
+ Ứng dụng luật điều khiển V/f để điều khiển hệ biến tần – động cơ.
+ Điều khiển ổn định tốc độ động cơ sử dụng PID của PLC S7-1500.
+ Điều khiển và giám sát nhiều động cơ không đòng bộ thông qua màn hìnhHMI.
Kết luận
Sau quá trình tìm hiểu nghiên cứu thực hiện đề tài được kết quả sau:
Tiếp xúc thực nghiêm mô hình PLC S7 1500, Màn hình HMI, Biến tần.
Đề tài “Nghiên cứu điều khiển và ổn định tốc độ hệ truyền động 2 động cơ sử dụng mạng Profinet trên S7-1500 và HMI” mang lại cho em cái nhìn tổng quan về bộ lập trình PLC và các ứng dụng quan trọng của nó trong Công nghiệp 4.0, đồng thời giúp em tiếp cận và làm chủ hệ thống giám sát và điều khiển trên phần mềm để nâng cao hiệu suất vận hành và ổn định của hệ truyền động.
Hướng phát triển của đề tài
Trong các hệ thống dây chuyền máy móc trong các nhà máy, yêu cầu đồng tốc và ổn định tốc độ của động cơ là rất cao để đảm bảo hiệu suất và chất lượng sản phẩm Đồ án này giúp giải quyết phần nào bài toán này bằng cách tích hợp các phương pháp điều khiển và giám sát tốc độ động cơ theo quy trình công nghệ Thông qua giao diện màn hình HMI, người vận hành có thể dễ dàng điều khiển động cơ, nhập tham số vận hành và theo dõi tốc độ của nhiều động cơ trên cùng một màn hình Hệ thống cho phép đồng bộ hóa nhiều động cơ, giảm dao động và tăng độ ổn định của toàn bộ dây chuyền Các lĩnh vực ứng dụng của đề tài có thể bao gồm tự động hóa sản xuất, điều khiển và giám sát hệ thống máy móc trong các nhà máy công nghiệp.
- Hệ thống băng tải, dây chuyền trong các nhà máy.
- Máy dệt, máy đóng gói, máy ép gỗ. lxxiv
- Hệ thống thang máy,cầu trục, chế tạo ô tô.
Sau một thời gian được giao nhiệm vụ thiết kế đề tài tốt nghiệp dưới sự hướng dẫn tận tình của cô giáo hướng dẫn cùng với sự cố gắng của bản thân và sự hỗ trợ của các thầy cô bộ môn, em đã hoàn thành nhiệm vụ được giao Tuy thời gian hạn chế và kinh nghiệm thực tế còn thiếu khiến đồ án gặp phải một số sai sót, em rất mong nhận được thêm sự chỉ bảo để có thể chỉnh sửa và hoàn thiện đề tài tốt nghiệp của mình.
Qua đây, em gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các cô giáo đã dìu dắt và đồng hành cùng em suốt bốn năm học vừa qua Em xin chân thành cảm ơn toàn thể các cô giáo khoa Điện đã dạy dỗ, chăm sóc và trang bị cho em những kiến thức chuyên ngành quý giá, giúp em tự tin bước vào nghề và mở ra nhiều cơ hội cho tương lai.
GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN COMMANDER SK
Commander SK của Emerson được thiết kế mạnh mẽ và dễ vận hành, mang lại giá trị gia tăng cho OEM và người dùng cuối đồng thời giảm thiểu chi phí lắp đặt cho hệ thống máy chủ và tự động hóa Biến tần Emerson Commander SK ghi nhận lợi thế vượt trội nhờ việc cài đặt đơn giản, giao diện người dùng thân thiện và thiết kế ổ đĩa hiệu suất cao với các tính năng tích hợp cho phép thực hiện các chức năng điều khiển nâng cao Với sự linh hoạt và hiệu suất ổn định, Emerson Commander SK là một mẫu mã lý tưởng cho nhiều ứng dụng điều khiển quá trình và tự động hóa công nghiệp.
Thông số cơ bản của biến tần Commander SK:
- Dải công suất: 25kW – 132kW (30HP – 200HP).
Các loại biến tần Emerson Commander SK bao gồm
Phụ lục 1 Các loại biến tần Commander SK
Biến tần Emerson Commander SK A1200075 công suất 0.75kw (1hp) điện áp 1 phase/ 220V. lxxvi
Biến tần Emerson Commander SK BD200150 công suất 1.5 kw (2hp) điện áp 1-
Biến tần Emerson Commander SK CD200220 công suất 2.2 kw (3hp) điện áp 1-
Biến tần Emerson Commander SK điện áp 3 phase/ 380V.
SKB3400075 công suất 0.75kw (1hp).
SKB3400150 công suất 1.5kw (2hp).
SKC3400220 công suất 2.2kw (3hp).
SKC3400400 công suất 4kw (5hp).
SKD3400550 công suất 5.5kw (7.5hp).
SKD3400750 công suất 7.5kw (10hp).
SK2401 công suất 7.5kw (10hp).
SK2402 công suất 11kw (15hp).
SK2403 công suất 15kw (20hp).
SK3401 công suất 18.5kw (25hp).
SK3402 công suất 22kw (30hp).
SK3403 công suất 30kw (40hp).
SK4401 công suất 37kw (50hp).
SK4402 công suất 45kw (60hp).
SK4403 Công suất 55kw (75hp).
Biến tần Emerson SK 5401 công suất 75kw (90hp) điện áp 3 phase/ 380V
Biến tần Emerson SK 5402 công suất 90kw (120hp) điện áp 3 phase/ 380V
Biến tần Emerson SK 6401 công suất 110kw (150hp) điện áp 3 phase/ 380V Biến tần Emerson SK 6402 công suất 132kw (160hp) điện áp 3 phase/ 380V lxxvii
Phụ lục 2 Kích thước của các loại biến tần Commander SK
Các chức năng nổi bật của biến tần Commander SK
Biến tần Commander SK rất dễ sử dụng và mang lại nhiều giá trị cho hệ thống của bạn Bộ điều khiển ngắn gọn nhưng tích hợp đầy đủ chức năng điều khiển động cơ Nhờ các chức năng thông minh tích hợp và khả năng mở rộng với các mô-đun I/O, cùng kết nối Ethernet và các module truyền thông, Commander SK cung cấp một giải pháp điều khiển động cơ linh hoạt và hiệu quả cho nhiều ứng dụng.
- Biến tần commander SK cho phép điều khiển các vòng hở thông dụng khác.
- Biến tần commander SK có chức năng tự động tinh chỉnh cho đáp ứng tối ưu.
Biến tần Emerson – Control Techniques tích hợp sẵn cổng giao tiếp nối tiếp với giao thức Modbus RTU, cho phép kết nối với các thiết bị tự động khác và các công cụ phần mềm để truy cập và khai thác các tính năng cao cấp.
Những lợi ích khi sử dụng biến tần Commander SK
Emeson SK được thiết kế cho việc lắp đặt và cấu hình đơn giản, giúp tiết kiệm thời gian và tối ưu hóa vận hành ngay từ ban đầu, đồng thời tích hợp đầy đủ các tính năng và chức năng cần thiết để giải quyết nhiều ứng dụng phức tạp hơn so với các sản phẩm cùng loại Những lợi ích của biến tần nói chung và của Emeson SK nói riêng bao gồm khả năng điều khiển chính xác, tối ưu hiệu suất hệ thống, tiết kiệm năng lượng, độ tin cậy cao và dễ bảo trì, cùng với khả năng tích hợp dễ dàng vào các hệ thống tự động hóa và mở rộng khi cần thiết cho các dự án đa dạng.
- Dễ dàng lắp đặt: thẻ nhớ lựa chọn thêm cho phép lưu trữ, dự phòng các thông số cài đặt và dễ dàng nạp lại.
- Khả năng mở rộng: các module lựa chọn để kết nối các mạng truyền thông và Ethernet các module mở rộng I/O và thời gian thực. lxxviii
- Linh hoạt: Bộ điều khiển có hai mức công suất cho bơm/quạt hay máy móc thiết bị với công suất lớn.
- Thông minh: chức năng điều chỉnh lập trình PLC với thẻ nhớ logicstick Đáp ứng cấp cao (Hight Performance): điều khiển Vector vòng hở.
- Biến tần Commander SK có 8 cấp tốc độ cài đặt trước cho độ linh hoạt ứng dụng lớn hơn
- Bàn phím cho phép truy xuất tất cả các thông số- các munu cơ bản và cấp cao.
- Điều khiển vector vòng hở Điều khiển tốc độ hay momen.
- Đầu vào tham chiếu tốc độ có thể lựa chọn : 0-10V, 0-20mA, 4-20mA (-10V đến +10V với module mở rộng SM-I/O Lite)
- Tần số đóng ngắt từ 3kHz đến 18kHz – động cơ vận hành êm
- Tần số đầu ra điều chỉnh từ 0 – 1500 Hz
- Tăng và giảm tốc có thể lựa chọn theo đường dạng tuyến tính hay dạng đường cong kiểu chữ S.
- Truyền thông Modbus RTU RS485 thông qua cổng RJ45 tích hợp sẵn.
- Hãm bằng cách bơm dòng DC –tính năng chuẩn.
- Tích hợp sẵn transistor hãm động năng.
- Tiết kiệm năng lượng với kiểu điều khiển động từ thông động cơ dạng V/ Hz.
- Tối ưu năng lượng cho các ứng dụng bơm & quạt với kiểu điều khiển từ thông hàm bậc 2.
Phần mềm tiêu chuẩn tiên tiến được tích hợp đầy đủ các tính năng như bộ định thời để điều khiển thời gian chính xác, các chức năng thềm ngưỡng để quản lý tín hiệu ở ngưỡng giới hạn, các khối hàm toán học phục vụ xử lý dữ liệu phức tạp, các hàm logic nhằm xây dựng điều kiện và luồng điều khiển tự động, bộ điều khiển PID tối ưu hóa đáp ứng và ổn định hệ thống, cùng bộ đo kW/h để theo dõi tiêu thụ điện năng một cách hiệu quả.