BÁO CÁO THỰC TẬP-MÔ HÌNH CHUNG CỦA BÀI TOÁN điều khiển vận tốc của băng tải

Điều khiển Biến Tần, để điều khiển hệ thống ta sử dụng bộ điều khiểnPID việc xác định các thông số của bộ PID tương đối phức tạp, do đốitượng cần điều khiển là động cơ không đồng bộ ba p

BÁO CÁO THỰC TẬP

Mô hình chung của bài toán:

Mở đầu:

Bài toán đặt ra là điều khiển vận tốc của băng tải Như ta đã biết băng tải là

1 thành phần không thể thiếu trong 1 dây truyền sản xuất hay 1 hệ thống sản xuất CN Trong đó vận tốc của băng tải đóng vai trò quyết định đối với Băng Tải Vì nếu có 1 sự thay đổi trong Vận tốc sẽ dẫn đến ảnh hưởng hệ thống đối với dây truyền sản xuất đó

Sự thay đổi vận tốc băng tải có thể là do sự thay đổi trọng lượng của vật liệu, hoặc số lương vật liệu có trên băng tải bị thay đổi

Bài toán đặt ra là ổn định tốc độ băng tải , để giải quyết bài toán ta phải giải quyết 1 số vấn đề sau:

 Quy đổi tốc độ từ Encoder đưa về , Encoder cho ra xung vuông

và xung này ta có thể đưa thẳng vào PLC , và thông qua bộ đếm ta có thểm giải quyết được vấn đề này

 Chuyển đổi tín hiệu D/A : tín hiệu từ PLC cần chuyển đổi sang Analog để điều khiển được Biến tần để giải quyết việc chuyển đổi tín hiệu này ta sử dụng thêm modul mở rông Analog

Encoder

Động Cơ

Điều khiển Biến Tần, để điều khiển hệ thống ta sử dụng bộ điều khiểnPID việc xác định các thông số của bộ PID tương đối phức tạp, do đốitượng cần điều khiển là động cơ không đồng bộ ba pha.

Mô hình điều khiển đối tượng

Các thành phần có trong bài toán:

Các thành phần của một PLC thường có các module phần cứng sau:

 Module nguồn

 Module đơn vị xử lý trung tâm

 Module bộ nhớ chương trình và dữ liệu

 Module đầu vào

 Module đầu ra

 Module phối ghép (để hỗ trợ cho vấn đề truyền thông nội bộ)

 Module chức năng (để hỗ trợ cho vấn đề truyền thông mạng)

Sơ đồ cấu trúc PLC:

 PLC có ưu điểm vượt trội so với các hệ thống điều khiển cổ điểnnhư Rơ le, mạch tổ hợp điện tử, IC số, như dễ dàng điều khiển vàgiám sát , vận hành tốt trong môi trường công nghiệp, cho độ chínhxác cao…

 Nguồn nuôi : dùng để ghi chương trình hoặc nạp một chương trìnhmới

 Nguồn Pin có thể được sử dụng để mở rộng thời gian lưu chữ chocác dữ liệu có tọng bộ nhớ Nguồn Pin tự đông được chuyển sangtrang thái tích cực nếu như dung lượng tự nhớ bị cạn kiệt và nó phảithay thế vào vị trí đồ để dữ liệu trong bộ nhớ không bị mất đi

CPU

Nguồn

Bộ Nhớ

Truyền Thông

Modul Mở Rộng

Bus kết nối

Cổng Vào

Cổng Ra

CPU (Central Processcing Unit) Là bộ xử lý trung tâm nó có nhiệm

vụ điều khiển và quản lý mọi hoạt động bên trong PLC

 Tất cả các loại PLC đều sử dụng 3 loại bộ nhớ sau:

Bộ nhớ ROM (Read Only Memory)

Bộ nhớ RAM(Random Acess Memory)

Bộ nhớ EEPROM(Electrical Erasable Programable ROM)

 PLC sử dụng cổng truyền thông nói tiếp RS485 với phích nối 9

chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình khác tốc độtruyện cho máy lập trình kiểu PPI là 9600 baud Tốc độ truyên cungcấp của PLC theo kiểu tự do là 300-38.400 Để ghép nối với máy lậptrình PG702 ( chỉ lập trình đc dạng STL ) hoặc với các máy tinh thuộc

họ PG7xx có thể sử dụng cáp MPI Còn ghép nối với PC thì cần cápPc/PPI để chuyển đổi RS232 RS485

Cấu trúc bộ nhớ của PLC S7-200 :

Bộ nhớ trong và ngoài của S7-200

 Vùng nhớ chương trình : Là miền bộ nhớ được sử dụng để lưu

giữ các lệnh, chương trình Vùng này thuộc kiểu non-valatileđọc/ghi được

 Vùng nhớ tham số : Là miền lưu giữ các tham số như từ khóa,

địa chỉ trạm…cũng giống như vùng chương trình, vùng ngàythuộc kiểu non-valatile đọc/ghi được

 Vùng dữ liệu : Được sử dụng để cất các dữ liệu của chương trình

bao gồm kết quả của các phép tính, hằng số được định nghĩatrong chương trình,bộ đệm truyền thông…

 Vùng đối tượng : Timer, bộ đếm, bộ đếm tốc độ cao và các cổng

vào/ra tương tự được đặt trong vùng nhớ cuối cùng Vùng nàykhông thuộc kiểu non- valatile nhưng đọc/ghi được

Chương trình

Tham số

Dữ liệu

Vùng đối tượng

Chương trình

Tham số

Dữ liệu

Chương trình

Tham số

Dữ liệu

EEPROM Miền nhớ ngoài

 Chương trình chính được kết thúc bằng lệnh (MEND).

 Chương trình con là một bộ phận của chương trình Các chươngtrình con phải được viết sau lệnh kết thúc chương trình chính

 Các chương trình xử lý ngắt khi cần sử dụng, được viết sau lệnhkết thúc chương trình chính

Có thể tự do trộn lẫn các chương trình con và chương trình xử lý ngắtsau chương trình chính

S7-200 biểu diễn một mawch logic cứng bằng một dẫy các lệnh lậptrình chương trình bao gồm một dãy các lệnh S7-200 thực hiện chươngtrình bắt đầu từ lệnh lập trình đầu tiên và kết thúc ở lệnh lập trình cuối trongmột vòng một vòng quét được bắt đầu bằng việc đọc trạng thái của đầuvào,và sau đó thực hiện chương trình Vòng quét kết thúc bằng việc thay đổitrạng thái đầu ra Trước khi bắt đầu một vòng quét tiếp theo S7-200 thực thicác nhiệm vụ bên trong và nhiệm vụ truyền thông.

Đây là ngôn ngữ để xây dựng thuật toán điều khiển , xây dựng bộ điềukhiển PID , xử lý các giá trị đo lường…bên cạnh đó ta còn sử dùng thêmWINCC để giám sát quá trình hoạt động của hệ thống và PC access

Giới thiệu về WinCC

WinCC (Windows control center), là một hệ thống phần mềm ứng dụng

để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu của một hệ thống tự động hóaquá trình sản xuất Trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp WinCC là mộttrong những phần mềm HMI (Human Machine interface)chuyên dùng củahãng Siemens để quản lý thu thập dữ liệu và điều khiển quá trình côngnghiệp Chương trình dùng để điều hành các nhiệm vụ của màn hình hiển thị

và hệ thống điều khiển trong tự động hóa sản xuất và quá trình Hệ thốngnày cung cấp các khối chức năng thích ứng trong công nghiệp như: Hiển thịhình ảnh, thông điệp, lưu trữ và báo cáo Nó được cài đặt trên máy tính vàgiao tiếp với PLC thông qua cổng COM1 hoặc COM2 (chuẩn RS-232) củamáy tính Do đó càng phải có một bộ chuyển đổi từ chuẩn RS-232 sangchuẩn RS-485 của PLC

Giới thiệu về Pc access

Là phần mềm để tạo driver kết nối giữ WinCC và PLC 200 do

S7-200 không có driver sẵn trong WinCC

Giới thiệu module analog EM 235.

Là modul mở rộng của PLC , có chức năng là chuyển đổi tín hiệu Từcác thiết bị Analog thành tín hiệu số  PLC, và chuyển đổi các tín hiệu điềukhiển của PLC thành tín hiệu điều khiển các thiết bị Analog.

Điều chỉnh tương tự cho phép chỉnh các biến cần phải thay đổi và sửdụng trong chương trình Núm chỉnh analog được lắp đặt dười nắp đậy bêncạnh các cổng ra Thiết bị có thể xoay được 270 độ

Đặc điểm.

Module vào/ra tương tự EM 235 có một số đặc điểm sau:

 4 kênh đầu vào và 1 kênh đầu ra

 Độ phân giải 12 bit

 Loại ngõ vào: Vi sai

 Thời gian chuyển đổi: tối đa 250μs

 Sai số cực đại: 2% của tầm đo

 Ngõ ra:

- Ngõ ra áp:

Biến Tần : là thiết bị tối ưu dùng để điều khiển vận tốc của động cơ điện

( tiết kiệm được khâu cơ khi phức tạp nếu như dùng hộp số, tiết kiệm được năng lượng, điều chỉnh phù hợp…), thay đổi tần số nguồn cấp cho động cơ

Phân loại :

Biến tần trực tiếp: là bộ chuyển đổi tần số trực tiếp từ lưới xoay chiều không thông qua khâu trung gian 1 chiều.Tần số ra được điều chỉnh ra

là nhẩy cấp và nhỏ hơn tần số lưới Loại này ít được sử dụng

Biến tần gián tiếp: gồm các khâu: Chình lưu (CL), lọc (L) và nghịch lưu (NL)

Nguyên lý hoạt động của biến tần gián tiếp :

nguồn điện xoay chiều một pha hay ba pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn một chiều, công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều ba pha đối xứng, công đoạn này được thực hiện thông qua

hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý vàcông nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới giải tần số siêu âm giúp giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ Điện áp xoay chiều ba pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tùy theo bộ điều khiển

Tìm hiểu về biến tần Fr-S500SE 0.4k

là sản phầm của Mitsubishis , dựa vào đầu vào thì có 2 loại là đầu vào

3 pha và đầu vào 1 pha Loại được sử dụng trong đồ án là loại đầu vào 1 pha Hình dạng thực tế

Các đặc tính chính là:

 Chế độ điều khiển vectơ không cần cảm biến

 Tích hợp sẵn mạch hãm tái sinh để trả năng lượng lại cho lướiđiện ở giai đoạn hãm dừng động cơ

 Hỗ trợ các Keypad vận hành khác nhau cho việc điều khiển chạy(RUN) / dừng (STOP) và thiết đặt các tham số

 Tích hợp sẵn giao diện truyền thông RS-485 MODBUS RTU chophép cấu hình từ một PC và những module ngoài sử dụng bustrường nên có khả năng giám sát

 Có thể thiết lập được 15 cấp tốc độ

 Các thông số của động cơ có thể được nhập vào, hoặc có thể thiếtđặt ở chế độ tự động nhận dạng

 Bộ điều chỉnh PID tự động duy trì tốc độ của động cơ bằng cách

tự thay đổi tham số

 Chức năng tự động ổn áp điện áp đầu ra

Biến tần Mitsubishi giải quyết được sự cân bằng truyền thống giữa tốc

độ, mômen và hiệu suất Những đặc trưng làm việc là:

 Mômen khởi động lớn, bằng 100% định mức hoặc lớn hơn ngaytại 6Hz

 Hoạt động liên tục với 100% mômen định mức ngay cả ở 1/10phạm vi tốc độ (6/60Hz, 5/50Hz) mà không làm giảm tuổi thọ củađộng cơ

Sơ đồ các khối chức năng cơ bản của biến tần FR S520SE 0.4k

Sơ đồ nối dây cho thấy những kết nối giữa nguồn điện và động cơ chohoạt động cơ bản Việc nối dây tới các đầu vào tín hiệu tuỳ chọn hỗ trợ cácchức năng lệnh từ bên ngoài như lệnh chạy thuận (STR) và chạy ngược(STF), và một biến trở quay điều chỉnh tốc độ động cơ

Tên chân Mô tả Công suất và ghi chú

PC Nguồn +24V cấp cho các đầu

vào logic

Nguồn cung cấp 24VDC0,1A max

SD Nguồn cấp cho các chân

logic trong chế độ Sink

Không được nối ngắnmạch 2 chân PC-SD Run Đầu ra báo biến tần bắt đầu

chạy SE

FM Đầu ra cung cấp cho các thiết

A

B

C

tín hiệu cảnh báo sự cố A-C: thường mở

Như đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây

đặt lệch nhau 120 độ trong không gian thì từ trường tổng mà ba cuộn

dây tạo ra trong là một từ trường quay Nếu trong từ trường quay này

có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường quay sẽ quét qua các thanh dẫnđiện và làm xuất hiện một sức điện động cảm ứng trong các thanh dẫn Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các thanh dẫn sẽ có dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắcban tay phải Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng điện cảm ứng này một lực từ có chiều xác định theo quy tắc ban tay trái và tạo

ra momen làm quay roto theo chiều quay của từ trường quay

Tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường qua

Nếu roto quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ quét qua các dây quấn phần cảm nữa nên sdd cảm ứng và dòng điện cảm ứng sẽ không còn, momen quay cũng không còn Do momen cản roto sẽ quay chậm lại sau từ trường và các dây dẫn roto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại

có momen quay làm roto tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc

độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường

Phương trình đặc tính cơ:

Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là ba pha của động cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện

trở và điện kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất trong lõi thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như :

Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ

Trong đó:

U1 – trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V)

Iµ, I1, I’2 – dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện roto đã Quy đổi về stato (A)

Xµ, X1, X’2 – điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato và điện kháng roto đã quy đổi về stato (Ω)

Rµ, R1, R’2 – điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch roto

đã quy đổi về stato (Ω)

Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng:

Xnm – điện kháng ngắn mạch, Xnm = X1 + X2

Đường đặc tính cơ: Với những giá trị khác nhau của s (0 ≤ s ≤ 1), phương trình cho những giá trị của M Đường biều diễn M = f(s) trên trục tọa độsOM đường đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha.

Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha

Đường đặc tính tự nhiên của động cơ không đồng bộ ba pha gồm 2 đoạn chính là AK và BK Đoạn AK là đoạn gần thẳng và cứng , trên đoạn này Momen tăng khi tốc độ giảm và ngược lại Do vậy động cơ làm việc ở đây sẽ ổn định Đoạn BK là đoạn tương đối dốc và phức tạp , trên đoạn này động cơ làm việc không ổn định

Tại điểm A, tốc độ của động cơ là lý tưởng tức là bằng vận tốc của từ trường quay

Tại điểm B, Momen tương ứng với Momen mở máy, tốc độ bằng 0,

hệ số trượt s =1

Ảnh hưởng của tấn số nguồn đối với Động cơ:

Quan hệ của tần số nguồn (f1) đối với động cơ không đồng bộ:

Họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn

Khi tần số f giảm, độ trượt tới hạn sth và momen tới hạn Mth đều tăng nhưng Mth tăng nhanh hơn Khi giảm tần số f1 xuống dưới tần số định mức f1dm thì tổng trở của các cuộn dây giảm nên nếu giữ nguyên điện áp cấp cho động cơ sẽ dẫn đến dòng điện động cơ tăng mạnh Vì vậy khi giảm tần

số nguồn xuống dưới giá trị định mức cần phải đồng thời giảm điện áp cấp cho động cơ theo quan hệ:

Như vậy Mth sẽ giữ không đổi ở vùng f1 < f1dm Ở vùng f1 > f1dm thì không thể tăng điện áp nguồn mà giữ U1 = U1dm nên ở vùng này Mth sẽ giảm tỉ lệ nghịch với bình phương tần số, đồng thời phải điều chỉnh điện áp theo quy luật để giữ cho động cơ không bị quá tải về công suất

Họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn

4 ENCODER

Encoder kiểu tuyệt đối:

bao gồm các thành phần sau: nguồn sáng , đĩa mã hóa và các phodetetor.

Đĩa mã hóa được chế tao từ vật liệu trong suốt , người ta chia mặt đĩa thành các goc đều và các đường tròn đồng tâm Các đường tròn đông tâm và bán kinh giới hạn các góc hình thành các phân tố điện tích Tập hợp các phân tố diện tích cùng giới hạn bởi hai vòng tròn đồng tâm gọi là dải băng

Số dái băng trên mặt đĩa tùy thuộc vào công nghệ Công nghệ hiện nay cho phép chia mặt đĩa mã hóa thành 12 dải trên các dải băng , các diện tích phân

tố có phân tố để trong suốt ( ánh sáng có thể đi quay 0 và cũng có phân tố được phủ lên nó một lớp mà anh sáng không thế chiếu xuyên qua được sự trong suốt và không trong suốt đặc trưng đặc tính của phân tố

ENCODER gia số:

được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Encoder gia số có hai kiểu : kiểu

thẳng và kiểu quay Kết cấu Encoder quay gồm có : nguồn sáng 1 , thấu kính

2, đĩa phát xung 3, đĩa thước (cố định) 4, photosensor 5 và mạch điện

Đĩa phát xung được làm bằng vật liệu trong suốt , trên nó có một hoặchai dải băng ( dải băng là tập hợp các vạch sáng tối có chiều dầy giống nhau) Một trong hai dải băng trên đĩa là nhiệm vụ tạo xung , dải băng còn lại dùng để xác định gốc hệ quy chiếu

Đĩa phát xung được lắp trên trục và chuyển động quay cùng với trục.Đĩa thước ( cố định ) có xẻ bốn rảnh trên cùng 1 hàng , rảnh thứ năm

bố trí trên hàng riêng và thước đuộc cố định trên vỏ cùng với phía

photosensor

Thấu kính có nhiệm vụ biến đổi đường đi của tia sáng thành các tia song song.

Nguyên lý hoạt động : ánh sáng từ nguồn sáng 1 qua thấu kính 2 biến đổi thành các tia sáng song song tới thước động 3 ( đĩa phát xung ) , vì thướcđộng 3 chuyển động nên có thể xem thước cố định 4 là cửa số và thước 3 là cánh của số đống mở điều khiển ánh sáng tới photosensor 5 Khi cửa số mở rộng dần cường độ ánh sáng tăng dần , dòng qua photosensor cũng tăng dần

và dòng cực đại khi cửa khép kín dần dòng trong photosensor cũng giảm dần và bằng không khi cửa số hoàn tòa đóng kín Với cách bố trí hợp lý hai cặp photosensor trên bốn rãnh của thước cố định người ta thu được sóng Sin

và sóng Cos Một trong hai cặp photosensor cho ta tín hiệu xung và kết hợp

hai sóng sin và cos cho phép ta xác định chiều chuyển động của thước động

a, Sóng ra tại 2 photosensor b, Cấu tạo Enconder tương đối

Phương pháp xác định vận tốc : dựa vào xung gửi về từ Encoder ta

dùng 1 bộ couter có chức năng đếm số xung gửi về bên cạnh đó ta sử dụng

1 bộ timer để chích mẫu Ta có :

Thời gian chích mẫu là Tm (s) , Số Xung đếm được trong Tm là N

Độ phân giải của Encoder là No (vòng / Phút) ,

Trong Tm (s) đếm được N xung  trong 1 phút : 60N/Tm (xung)Trong 1 Vòng đếm được No Xung 

Tốc độ thực : 60N/Tm.No ( Vòng/Phút)