Điều khiển biến tần – HMI qua IO, dùng VĐK

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CƠ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC THỰC TẬP VI ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO Đề tài 3 Điều khiển biến tần – HMI qua IO, dùng VĐK Giáo viên hướng dẫn Ngô Kim Long Sinh viên thực hiện MSSV Bùi Thị Diễm 119000265 Trần Trọng Bằng 119001097 Trịnh Phạm Minh Hải 119000081 Lớp 19TD111 Nhóm 4 Đồng Nai 112021 – MỤC LỤC https www slideshare netluanvan84bctntlvn 66pdf?qid=37f64f55 57a8 4642 87a5 a5f17e2a555dv=b=from search=2 https 123docz netdocument3119794 dieu khien do.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CƠ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

 BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC THỰC TẬP VI ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO

Đề tài 3: Điều khiển biến tần – HMI qua I/O, dùng VĐK.

Giáo viên hướng dẫn: Ngô Kim Long.

MỤC LỤC

https://www.slideshare.net/luanvan84/bctntlvn-66pdf?qid=37f64f55-57a8-4642-87a5-a5f17e2a555d&v=&b=&from_search=2

bien-tan-invt.htm

Lời nói đầu

Ngày nay ứng dụng mạng truyền thông để kết nối là rất phổ biến Việc điềukhiển và giám sát các thiết bị, các cơ cấu chấp hành ngày càng được sử dụng nhiềutrong các nhà máy, xí nghiệp, các dây chuyền sản xuất Điều khiển cả hệ thống bằngmáy tính giúp việc giám sát cũng như lưu giữ các giá trị được thuận tiện hơn, nhằmnâng cao năng suất lao động, đồng thời cũng cắt giảm được số lượng lao động Bêncạnh đó biến tần là một ứng dụng mới trong điều khiển tự động Sự ra đời của biếntần là một bước tiến quan trọng, tối ưu hóa được hệ thống, tiết kiệm chi phí, tiếtkiệm không gian, điều khiển hệ thống với ứng dụng phức tạp

Việc kết hợp giữa biến tần và vi điều khiển để điều khiển động cơ không đồ bộ 3pha là một ứng dụng thực tế và trực quan cho các ứng dụng trong công nghiệp Vớigiải pháp điều khiển biến tần thông qua I/O, giúp chúng ta có thể đọc được các tínhiệu từ biến tần lên phục vụ cho việc điều khiển và giám sát hệ thống từ xa Và giúpchúng ta có góc nhìn rõ hơn, trong mạng truyền thông trong công nghiệp

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài.

Trên cơ sở kiến thức đã học trong môn học vi điều khiển cơ bản, thực tập trang bịđiện, cùng với những hiểu biết về lập trình, phần cứng, nhóm đã quyết định thựchiện đề tài: “Điều khiển biến tần – HMI qua I/O, dùng VĐK” với mục đích đểtìm hiểu thêm về bộ chuyển đổi dữ liệu, đọc và ghi dữ liệu từ arduino, để điều khiểnbiến tần, giám sát hệ thống từ xa, nâng cao hiểu biết cho bản thân

1.2 Mục tiêu nguyên cứu

- Hiểu tổng quan: phần cứng, chức năng, nguyên lý, biến tần, HMI, bộ chuyển đổi

dữ liệu

- Nghiên cứu, khảo sát quá trình thu thập dữ liệu từ xa Đọc và ghi dữ liệu từarduino điều khiển biến tần

- Khảo sát việc điều khiển và giám sát từ xa thông qua I/O

1.3 Nội dung và phạm vi nghiên cứu

Trong báo cáo này nhóm đã cố gắng trình bày một cách thật logic để người đọc cóthể dễ dàng nắm rõ được kiến thức, phương thức cũng như cách thức hoạt động của

hệ thống

Nội dung và phạm vi nguyên cứu nhóm chia làm năm nội dung:

● NỘI DUNG 1: Tìm hiểu, nguyên cứu tài liệu liên quan đến giao thức I/O, tàiliệu HMI Mitsubishi

● NỘI DUNG 2: Dựa trên các dữ liệu thu thập được, đi sâu vào nguyên lí làmviệc của hệ thống, tiến hành thực hiện quá trình đấu nối phần cứng giữa HMI +Arduino + Biến tần

● NỘI DUNG 3: Xây dựng lưu đồ giải thuật, thiết kế giao diện cho HMI (GTDesigner 3) và viết chương trình điều khiển cho hệ thống

● NỘI DUNG 4: Đọc dữ liệu từ biến tần lên Arduino và HMI Kiểm tra độ ổnđịnh của hệ thống

● NỘI DUNG 5: Viết báo cáo thực hiện.

1.4 Kết quả cần đạt được

Thành thạo trong việc điều khiển biến tần - HMI qua giao tiếp I/O, phát huy tínhhữu hiệu cho các dự án điều khiển, giám sát hệ thống từ xa Quản lý dữ liệu đọcđược từ biến tần lên Arduino và HMI để xử lý ứng dụng cho nhiều chức năng khácnhau

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Định nghĩa Modbus.

Modbus là một giao thức do hãng Modicon (sau này thuộc AEG và SchneiderAutomation) phát triển năm 1979 Theo mô hình ISO/OSI thì Modbus thực chất làmột chuẩn giao thức và dịch vụ thuộc lớp ứng dụng, vì vậy có thể được thực hiệntrên các cơ chế vận chuyển cấp thấp như TCP/IP, MAP (Manufacturing MessageProtocol), Modbus Plus và ngay cả qua đường truyền nối tiếp RS – 232

Modbus định nghĩa một tập hợp rộng các dịch vụ phục vụ trao đổi dữ liệu quátrình, dữ liệu điều khiển và dữ liệu chẩn đoán Tất cả các bộ điều khiển củaModicon đều sử dụng Modbus là ngôn ngữ chung Modbus mô tả quá trình giaotiếp giữa một bộ điều khiển với các thiết bị khác thông qua cơ chế yêu cầu/đáp ứng

Vì lý do đơn giản nên Modbus có ảnh hưởng tương đối mạnh đối với các hệ PLCcủa các nhà sản xuất khác

Cụ thể, trong mỗi PLC người ta cũng có thể tìm thấy một tập hợp con các dịch vụ

đã đưa ra trong Modbus Đặc biệt trong các hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiểngiám sát (SCADA) 138 Modbus hay được sử dụng trên các đường truyền RS - 232ghép nối giữa các thiết bị dữ liệu đầu cuối (PLC, PC, RTU) với thiết bị truyền dữliệu (Modem)

Hình 2.1 - Quá trình làm việc mạng Modbus (1-yêu cầu, 2-quá trình, 3-trả lời)

2.2 Cơ chế giao tiếp

Cơ chế giao tiếp ở Modbus phụ thuộc vào hệ thống truyền thông cấp thấp Cụ thể,

có thể phân chia ra hai loại là mạng Modbus chuẩn và Modbus trên các mạng khác(Ví dụ TCP/IP, Modbus Plus, MAP)

2.2.1 Mạng Modbus chuẩn.

Các trạm Modbus giao tiếp với nhau qua cơ chế chủ/tớ (Master/Slave), trong đóchỉ một thiết bị chủ có thể chủ động gửi yêu cầu, còn các thiết bị tớ sẽ đáp ứng bằng

dữ liệu trả lại hoặc thực hiện một hành động nhất định theo như yêu cầu Các thiết

bị chủ thông thường là các máy tính điều khiển trung tâm và các thiết bị lập trình,trong khi các thiết bị tớ có thể là PLC hoặc các bộ điều khiển số chuyên dụng khác

2.2.2 Modbus trên các mạng khác

Modbus Plus và MAP sử dụng Modbus là giao thức cho lớp ứng dụng, các thiết bị

có thể giao tiếp theo cơ chế riêng của mạng đó Ví dụ trong giao tiếp tay đôi (Peer

-to - Peer), mỗi bộ điều khiển có thể đóng vai trò chủ hoặc tớ trong các lần giao dịchkhác nhau

2.2.3 Chu trình yêu cầu - đáp ứng

Hình 2.2 – Chu trình yêu cầu - đáp ứng Modbus

- Một thông báo yêu cầu bao gồm các phần sau:

 Địa chỉ trạm nhận yêu cầu (0 -247) trong đó 0 là địa chỉ gửi đồng loạt

 Mã hàm gọi chỉ thị hành động trạm tớ cần thực hiện theo yêu cầu Ví dụ, mãhàm 03 yêu cầu trạm tớ đọc nội dung các thanh ghi lưu dữ và trả lại kết quả

 Dữ liệu chứa các thông tin bổ sung và trạm tớ cần cho việc thực hiện hàm đượcgọi Trong trường hợp đọc thanh ghi, dữ liệu này chỉ rõ thanh ghi đầu tiên và sốlượng các thanh ghi cần đọc

 Thông tin kiểm lỗi giúp trạm tớ kiểm tra độ vẹn toàn của nội dung thông báonhận được

- Mỗi ký tự khung bao gồm:

 1 bit khởi đầu (Starbit)

 7 bit biểu diễn một chữ số hex của byte cần gửi dưới dạng ký tự ASCII (0 – 9

và A - F) trong đó bit thấp nhất được gửi đi trước

 1 bit parity chẵn/lẻ, nếu sử dụng parity

 1 bit kết thúc (Stopbit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không sửdụng parity

2.3.1.1 Khung ASCII

Bảng – Khung thông báo Modbus chế độ ASCII

1 ký tự 2 ký tự 2 ký tự n ký tự 2 ký tự CR+LF2 ký tự

2.3.1.2 Kết nối các thiết bị Modbus

Cách đơn giản nhất để đưa thiết bị hiện trường vào một hệ thống điều khiển quátrình, là kết nối I/O analog số thành hệ thống I/O phân tán mang tính năng truyềnthông Modbus

Hình – Truyền thông Modbus trong biến tần

2.3.1.3 Ưu nhược điểm

Ưu điểm của chế độ truyền này là cho phép một khoảng thời gian trống tối đa mộtgiây giữa hai ký tự mà không gây ra lỗi

Nhược điểm của Modbus ASCII chậm nhất trong số 3 loại protocol

2.3.2 Chế độ RTU

Modbus RTU là một giao thức mở, sử dụng đường truyền vật lý RS-232 hoặcRS485 và mô hình dạng Master-Slave Đây là một giao thức được sử dụng rộng rãitrong nhiều lĩnh vực như BMS (Building Management Systems), tự động hóa, côngnghiệp, điện lực,

Khi các thiết bị trong một mạng Modbus chuẩn được đặt chế độ RTU (RemoteTerminal Unit), mỗi byte trong thông báo được gửi thành một ký tự 8 bit

Mỗi ký tự khung bao gồm:

 1 bit khởi đầu (Start bit)

 8 bit của byte thông báo cần gửi, trong đó bit thấp nhất được gửi đi trước

 1 bit parity chẵn/lẻ nếu sử dụng parity

 1 bit kết thúc (stop bit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không sửdụng parity

2.3.2.1 Khung RTU

Bảng – Khung thông báo Modbus chế độ RTU

Cấu trúc khung truyền RTU

Một khung truyền Modbus RTU bao gồm: 1 byte địa chỉ - 1 byte mã hàm - n byte

dữ liệu - 2 byte CRC

Hình - Cấu trúc khung truyền RTUChức năng và vai trò:

 Byte địa chỉ: xác định thiết bị mang địa chỉ được nhận dữ liệu (đối với

Slave) hoặc dữ liệu nhận được từ địa chỉ nào (đối với Master) Địa chỉ này đượcquy định từ 0 - 254

 Byte mã hàm: được quy định từ Master, xác định yêu cầu dữ liệu từ thiết bị

Slave Ví dụ mã 01: đọc dữ liệu lưu trữ dạng Bit, 03: đọc dữ liệu tức thời dạngByte, 05: ghi dữ liệu 1 bit vào Slave, 15: ghi dữ liệu nhiều bit vào Slave

 Byte dữ liệu: xác định dữ liệu trao đổi giữa Master và Slave.

o Đọc dữ liệu:

 Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu

 Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu - n byte dữliệu đọc được

o Ghi dữ liệu:

 Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu - n byte

dữ liệu cần ghi

 Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu

 Byte CRC: 2 byte kiểm tra lỗi của hàm truyền cách tính giá trị của Byte

CRC 16 Bit

2.3.2.2 Cáp mạng và module chuẩn RTU

Giao thức Modbus RTU là một giao thức mở, sử dụng đường truyền vật lý RS232hoặc RS485 và mô hình dạng Master-Slave Đây là một giao thức được sử dụngrộng rãi trong nhiều lĩnh vực như BMS (Building Management Systems), tự độnghóa, công nghiệp, điện lực,

 Chuẩn RS232:

RS-232 hay còn được gọi với cái tên khác là cổng COM thường được sử dụngtrong các máy tính để bàn và tất cả chúng đều sử dụng cổng truyền thông theo tiêuchuẩn RS232 để kết nối với các thiết bị như máy in hay các loại máy fax,…RS232

sẽ sử dụng 3 dây bao gồm: Tx (truyền tín hiệu), Rx (nhận tín hiệu) và GND (đất).Chúng sẽ hoạt động dựa trên thị chênh lệch áp giữa TX, RX và GND.

+ Việc kết nối các thiết bị theo chuẩn RS232 chỉ được thực hiện trong phạm

vi 2 thiết bị mà thôi nên rất hạn chế nếu ta dùng đến nhiều thiết bị

 Chuẩn 2 dây RS485:

RS-485 là chuẩn duy nhất do EIA đưa ra mà có khả năng truyền thông đa điểmthực sự chỉ dùng một đường dẫn chung duy nhất, được gọi là bus Chính vì vậy mà

nó được dùng làm chuẩn cho lớp vật lý ở đa số các hệ thống bus hiện thời

Cấu hình phổ biến nhất là sử dụng hai dây dẫn cho việc truyền tín hiệu, như đượcminh họa trên hình Trong trường hợp này, hệ thống chỉ có thể làm việc với chế độhai chiều gián đoạn (half-duplex) và các trạm có thể nhận quyền bình đẳng trongviệc truy nhập đường dẫn Chú ý rằng đường dẫn được kết thúc bằng hai trở tại hai

đầu chứ không được phép ở giữa đường dây Vì mục đích đơn giản, dây đất khôngđược vẽ ở đây, tuy nhiên trong thực tế việc nối dây đất là rất cần thiết.

Hình 2.6 - Cấu hình mạng sử dụng 2 dây RS485

 Chuẩn 4 dây RS485:

Một mạng RS485 cũng có thể được nối theo kiểu 4 dây, như hình mô tả Một trạmchủ (master) đóng vai trò điều khiển toàn bộ giao tiếp giữa các trạm kể cả việc truynhập đường dẫn Các trạm tớ (slave) không thể liên hệ trực tiếp mà đều phải quatrạm chủ Trạm chủ phát tín hiệu yêu cầu và các trạm tớ có trách nhiệm đáp ứng.Vấn đề kiểm soát thâm nhập đường dẫn ở đây chính là việc khống chế các trạm tớkhông trả lời cùng một lúc Với cấu hình này, việc truyền thông có thể thực hiện chế

độ hai chiều toàn phần (full-duplex), phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi tốc độtruyền tải thông tin cao, tuy nhiên ở đây phải trả giá cho hai đường dây bổ sung

Hình 2.7 - Cấu hình mạng sử dụng 4 dây RS485

 Đầu nối RJ45:

RJ45 là tên gọi tắt của một loại dây cáp được cấu tạo bởi 8 dây nhỏ chia làm 4 cặpvới màu sắc khác nhau và còn có tên gọi khác là dây cáp mạng Đầu nối cáp mạngRJ45 là loại connector dùng để kết nối 2 đầu cáp mạng cho phép người sử dụng đấunối dài cáp mạng để kết nối mạng LAN trong những không gian rộng

Hình 2.8 - Đầu nối chuẩn RJ45 sử dụng trong mạng Modbus RTU

 Module:

Module UART TTL to RS485 được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu Serial TTL(5V) sang giao tiếp RS485 sử dụng IC MAX485 Half-Duplex của Maxim Mạch sửdụng IC MAX485 cho tốc độ truyền tải tối đa lên đến 2Mbps.Module này giúp choviệc truyền dữ liệu đi xa đến 1KM và có thể sử dụng trong môi trường đó nhiễu cao,trong môi trường công nghiệp Trong một mạng RS485 ở tại mọi thời điểm chỉ có 1thiết bị truyền được Điều này gần tương tự như các dạng giao tiếp khác Tức là saukhi truyền dữ liệu xong cho 1 module, đóng cửa, sau đó mở cửa giao tiếp với 1module khác

Hình 2.9 Module UART TTL to RS485Board TTL (mạch chuyển giao tiếp RS485)

+ Chipset FTDI FT232RL

+ Giao tiếp kết nối USB 2.0

+ Sử dụng cho các thiết bị lập trình, điều khiển, tự động hoá, thiết bị côngnghiệp

+ Tương thích với nhiều hệ điều hành: Windows các dạng

để đóng ngắt tuần tự dòng điện đặt vào các cuộn dây của động cơ để làm sinh

ra từ trường xoay làm quay động cơ.

Biến tần Hitachi WJ200 thiết kế nhỏ gọn, tiết kiệm không gian, dễ dàng lắp đặt, thông số cài đặt thân thiện với người dùng Thiết kế màn hình thuận lợi cho việc quan sát, tích hợp sẵn cổng RS 485 với giao thức truyền thông

Modbus RTU Kết nối máy tính để giám sát quá trình hoạt động cũng như cài đặt thông số cho biến tần.

Hình 2.10 - Biến tần Hitachi WJ200.

2.4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của biến tần

 Cấu tạo của biến tần:

Bên trong biến tần là các bộ phận có chức năng nhận điện áp đầu vào có tần

số cố định để biến đổi thành điện áp có tần số thay đổi để điều khiển tốc độ động cơ Các bộ phận chính của biến tần bao gồm bộ chỉnh lưu, bộ lọc, bộ nghịch lưu IGBT, mạch điều khiển Ngoài ra biến tần được tích hợp thêm một

số bộ phận khác như: bộ điện kháng xoay chiều, bộ điện kháng 1 chiều, điện trở hãm, bàn phím, màn hình hiển thị, module truyền thông,

Hình 2.7 : Cấu tạo cơ bản của biến tần (Sơ đồ mạch điện của biến tần)

 Nguyên lý hoạt động của biến tần:

+ Đầu tiên, nguồn điện 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1chiều bằng phẳng Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và

tụ điện Điện đầu vào có thể là một pha hoặc 3 pha, nhưng nó sẽ ở mức điện áp

và tần số cố định (ví dụ 380V 50Hz)

+ Điện áp 1 chiều ở trên sẽ được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3pha đối xứng Mới đầu, điện áp một chiều được tạo ra sẽ được lưu trữ tronggiàn tụ điện Tiếp theo, thông qua quá trình tự kích hoạt thích hợp, bộ biến đổiIGBT (viết tắt của tranzito lưỡng cực có cổng cách điện hoạt động giống nhưmột công tắc bật và tắt cực nhanh để tạo dạng sóng đầu ra của biến tần) sẽ tạo

ra một điện áp xoay chiều 3 pha bằng phương pháp điều chế độ rộng xungPWM

Hình 2.8 - Hình ảnh biến đổi tần số và điện áp qua biến tần

vệ quá dòng, bảo vệ cao áp và thấp áp, tạo ra một hệ thống an toàn khi vậnhành

+ Giảm hao mòn cơ khí:

Biến tần giúp quá trình khởi động từ tốc độ thấp giúp cho động cơ mang tải lớnkhông phải khởi động đột ngột, tránh hư hỏng phần cơ khí, ổ trục, tăng tuổi thọđộng cơ

+ Tiết kiệm điện:

Nhờ dễ dàng thay đổi tốc độ cho nên biến tần có thể tiết kiệm điện năng cho cáctải thường không cần phải chạy hết công suất Giúp tiết kiệm điện 20-30 phầntrăm so với hệ thống khởi động truyền thống

+ Nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm:

Biến tần có thể chạy nhanh hơn, thông thường là 54-60Hz, bình thường là1500v/p với 50Hz, khi có biến tần thì 1800v/p với 60Hz, giúp tăng sản lượngđầu ra cho máy, tăng tốc độ cho các quạt thông gió

+ Đáp ứng yêu cầu công nghệ:

Nhờ nguyên lý làm việc chuyển đổi nghịch lưu qua diode và tụ điện nên hệ sốcosphi đạt ít nhất 0.96, công suất phản kháng từ động cơ rất thấp, gần như được

bỏ qua, do đó giảm được dòng đáng kể trong quá trình hoạt động, giảm chi phítrong lắp đặt tủ tụ bù, giảm thiểu hao hụt đường dây

2.4.3 Cấu hình biến tần

Hình - Giao diện cấu hình biến tần