Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng PLC s7-200 và biến tần MM 420

Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng PLC s7-200 và biến tần MM 420

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ-KỸ

THUẬT CÔNG NGHIỆP

Khoa: Điện ššš

BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC : TÊN ĐỀ TÀI: " ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA SỬ DỤNG PLC S7-200 VÀ BIẾN TẦN MM420".

Giảng viên hướng dẫn:

1 Thân Văn Ước

Nam Định, 2016

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU……….… 1

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA SỬ DỤNG PLC S7-200 VÀ BIẾN TẦN MM420…… ……… ……… 6

1.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ KĐB ba pha………… … 6 1.1 Cấu tạo………6 1.1.1 Cấu tạo phần tĩnh

1.1.2 Cấu tạo phần quay

1.1.3 Khe hở

1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ kđb ba pha……… 7 1.2.1 Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đôi cực

1.2.2 Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số

1.2.3 Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp cung cấp cho stato

1.1.4 Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở mạch roto của động cơ roto dây cuốn

GIỚI THIỆU MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM………9

-Sơ đồ mô hình, giới thiệu qua phần mềm, phần cứng

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-200 VÀ BIẾN TẦN MM420… 15

2.1 Các thành phần chính của PLC S7200……… 15 2.1.1Modul CPU S7-200

2.1.2 Modul mở rộng

2.2 Các nguyên tắc lập trình PLC S7200……… 15 2.2.1 Chu trình hoạt động của S7-200

2.2.2 Phần mềm lập trình

2.2.3 Chọn kiểu làm việc cho CPU

2.3 Các lệnh cơ bản trong PLC S7200……… 17 Lệnh Load ( L,D)

Lệnh Load Not (LDN)

Lệnh Output

Các Lệnh Ghi Xóa Các Giá Trị Tiếp Điểm

Lệnh SET và RESET

Các Lệnh Điều Khiển Timer

2.4 Giới thiệu về biến tần……… …… 19 2.4.1 Nguyên Lý Hoạt Động Của Biến Tần

2.4.2 Nguyên lý chung của biến tần minh họa như hình

2.5 Biến tần MicroMaster 420……… 20 2.5.1Giới thiệu chung

2.5.2 Sơ đồ nguyên lý

2.5.3 Panel Vận Hành

CHƯƠNG III : ĐIỀU KHIỂN BĂNG TẢI SỬ DỤNG PLC S7200 VÀ BIẾN TẦN MM420……… 27

3.1 Giới thiệu bài toán……… 27

Sơ đồ mô hình băng tải Phân tích bài toán 3.2 Lắp đặt thiết kế chương trình điều khiển……… 29

Xác định tín hiệu vào/ra quy định địa chỉ Sơ đồ đấu nối tín hiệu vào/ra PLC Phân tích bài toán Đấu nối rơ-le với biến tần MM420 Cài đặt thông số biến tần Lập chương trình điều khiển.kế và mô phỏng trên phần mềm WinCC 3.3 Thiết kế và mô phỏng trên phần mềm WinCC………35

3.4 Nạp trương trình vào PLC S7-200……… 36

3.5 Kết quả mô hình chạy thực nghiệm……….38

KẾT LUẬN………

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Khối nguồn AC/DC.

Hình 1.2 Bộ điều khiển PLC S7-200 CPU224/AC/DC/RL Hình 1.3 Biến tần MicroMaster MM420.

Hình 1.4 Hệ truyền động ĐC-KĐB 3 pha - Băng truyền Hình 1.5 Các thông số DC-KĐB 3 pha.

Hình 1.6 Cảm biến quang khuếch tán.

Hình 1.7 Khối role trung gian.

Hình 1.8 Sơ đồ mô hình thực nghiệm.

Hình 2.1 Mạch điều khiển IGBT.

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý MM420

Hình 2.3 Các loại Panel vận hành.

Hình 3.1 Mô hình Băng tải.

Hình 3.2 Sơ đồ đấu nối tín hiệu vào /ra PLC

Hình 3.3 Mô phỏng trên phần mềm WinCC.

Hình 3.4 Xóa chương trình cũ trong PLC S7-200.

Hình 3.5 Nạp chương trình cho PLC S7-200.

Hình 3.6 – 3.7 Kết quả mô hình chạy thực nghiệm.

LỜI NÓI ĐẦU

Xuất phát từ nhu cầu ứng dụng động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha trong các dây truyền sản xuất công nghiệp…Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật, ngày nay vấn đề sử dụng các thiết bị lập trình điều khiển máy móc, dâychuyền sản xuất một cách hiện đại hóa toàn diện đang được phát triển và áp dụng rộng rãi để đáp ứng được yêu cầu của nền sản xuất tự động hóa cao

 Mục tiêu của đề tài:

Nhóm tác giả mong muốn xây dựng một mô hình trực quan giúp sinh viên có điều kiện thực tập trên mô hình thực, tiếp cận được các thiết bị công nghiệp hiện đại: PLC, Biến tần, WinCC… nâng cao tầm hiểu biết, cũng như tri thức về hệ thống điều khiển trong quá trình sản xuất, các khâu hoạt động của hệ thống gồm động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha – băng tải – Biến tần - PLC S7-200 - máy tính, gópphần phục vụ công tác giảng dạy các bộ môn chuyên ngành: SCADA, Lập trình PLC…

Mô hình điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha được cấu thành từ những thiết bị, linh kiện điện, cơ khí Quá trình hoạt động rất quen thuộc trong lĩnh vực sản xuất Khi tìm hiểu và vận hành hệ thống giúp sinh viên có kiến thức cần thiết để thiết kế các hệ thống điều khiển tự động hóa trong thực tế sản xuất tại các xí nghiệp công nghiệp

 Phương pháp nghiên cứu :

Sử dụng phương pháp phân tích, tổng hợp và thực nghiệm để thực hiện đề tài

 Nội dung nghiên cứu:

- Nghiên cứu thiết kế mô hình điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha sử dụng PLC và Biến tần

- Xây dựng mô hình điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha

- Điều khiển lập trình bằng PLC S7-200 và Biến tần và kết nối mô phỏng trên WinCC

 Bố cục trình bày nội dung chính đề tài chia thành 3 chương:

Chương 1 : Nghiên cứu thiết kế mô hình mô hình điều khiển tốc động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha

Chương 2 : Tổng quan và ứng dụng PLC S7-200 và Biến tần Siemens

CHƯƠNG 1

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG

CƠ XOAY CHIỀU BA PHA

1 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA.

1.1 CẤU TẠO

1.1.1 Cấu tạo phần tĩnh ( stator).

Gồm vỏ máy, lõi thép và dây quấn

a) Vỏ máy:

Thường làm bằng gang Đối với máy có công suất lớn (1000kW), thường dùng théptấm hàn lại thành vỏ Vỏ máy có tác dụng cố định và không dùng để dẫn từ

b) Lõi săt:

Được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0.35mm đến 0.5mm ghép lại Lõi sắt

là phần dẫn từ Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường xoay chiều, nhắm giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên, mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có phủ sơn cách điện.Mặt trong của lõi thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn

c) Dây quấn roto:

Gồm hai loại: Loại roto dây quấn và loại roto kiểu lồng sóc

 Loại roto dây quấn: Dây quấn roto giống dây quấn stato và có số cực bằng

số cực stato Các động cơ công suất trung trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp để giảm được những đầu nối dây và kết cấu dây quấn roto chặt chẽ hơn Các động cơ công suất nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm 1 lớp Dây quấn 3 pha của roto thường đấu hinh sao (Y) Ba đầu kia nối và 3 vòng trượt bằng đồng đặt cố định ở đầu trục Thông qua chổi than và còng trượt, đưa điện trở phụ vào mạch roto nhằm cải thiện tính năng mở máy và điều chỉnh tốc độ

 Loại roto lồng sóc : Loại dây quấn này khác với dây quấn stato Mỗi rãnh

của lõi sắt được đặt một thanh động hoặc thanh nhôm và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch, làm thành một cái lồng người ta gọi đó là lông sóc Dây quấn roto kiểu lồng sóc không cách điện với lõi sắt

từ trường Tóc đọ quay của roto n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường stato n1 Có sự chuyển động tương đối giữa roto và từ trường quay stato duy trì được dòng điện I2

và moomen M Vì tốc độ của roto khác với tốc độ của từ trường quay stato nên gọi

2.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực.

Dây quấn stato có thể nối thành bao nhiêu số đôi cực khác nhau thì tốc độ có bấy nhiêu cấp, vì vậy thay đổi tốc độ chỉ có thể thay đổi từng cấp một không bằng phẳng Có nhiều cách để thay đổi số đôi cực của dây quấn stato:

Đổi cách nối dây để có số đôi cực khác nhau Dùng trong động cơ điện hai tốc độ theo tỷ lệ 2:1

Trên rãnh stato đặt 2 dây quấn độc lập có số đôi cực khác nhau, thường để đạt 2 tốc

độ theo tỷ lệ 4:3 hoặc 6:5

Dây quấn rôto trong động cơ không đồng bộ rôto dây quấn có số đôi cực bằng sốđôi cực của dây quấn stato, do đó khi đấu lại dây quấn stato để có số đôi cực khácnhau thì dây quấn rôto cũng phải đấu lại như vậy không tiện lợi.

Ngược lại, dây quấn roto lồng sóc thích ứng với bất kì só đôi cực nào của dây quấnstato, do đó thích hợp cho động cơ điện thay đổi số đôi cực để điều chỉnh tốc độ.Mặc dù điều chỉnh tốc độ nhảy cấp, nhưng có ưu điểm giữ nguyên độ cứng của đặctính cơ

2.2 Điều chỉnh tôc độ bằng cách thay đổi tần số

Tốc độ của động cơ KĐB n = n1(1-s) = (60f/p)(1-s)

Khi hệ số trượt thay đổi ít thì tốc độ tỷ lệ thuận với tần số

Mặt khác, từ biểu thức E1=4.44.f1.W1.Kdq.Ømax ta nhận thấy max tỷ lệ thuận vớiE1/f1

Người ta mong muốn giữ cho Ømax= const

Muốn vậy phải điều chỉnh đồng thời cả E/f , có nghĩa là phải sử dụng một nguồnđiện đặc biệt , đó là các bộ biến tần công nghiệp

Do sự phát triển mạnh mẽ của kĩ thuật vi điện tử và điện tử công suất, các bộ biếntần ra đời đã mở ra một triển vọng lớn trong lĩnh vực điều khiển động cơ xoay chiềubằng phương pháp tần số Sử dụng biến tần để điều khiển động cơ theo các quy luậtkhác nhau ( quy luật U/f, điều khiển véc tơ ) đã tạo ra những hệ điều khiển tốc độđộng cơ có các tính năng vượt trội

2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cung cấp cho stato.

Ta đã biết, hệ số trượt giới hạn Sth không phụ thuộc vào điện áp, nếu R’2 không đổithì khi giảm điện áp nguồn U, hệ số trượt tới hạn Sth sẽ không còn Mmax giảm tỉ lệvới U2

Phương pháp này chỉ thực hiện khi máy mang tải, con khi máy không mang tải màgiảm điện nguồn, tốc độ gần như không đổi

2.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch roto của động cơ roto dây quấn.

Thông qua vành trượt ta nối một biến trở 3 pha có thể điều chỉnh được vào dây quấnrôto

Với một mômen tải nhất định, điện trở phụ càng lớn thì hệ số trượt ở điểm làm việccàng lớn ( từ a đén b rồi c ), nghĩa là tốc độ càng giảm xuống Vì mômen tỷ lệ vớicông suất điện trở Pđt, nên ta có : (r2/s2)= ((r2+rf)/s)

Do Pđt bản thân không đổi, I2 cũng không đổi nên một bộ phận công suất cơ trướckia đã biến thành tổn hao đồng I2 x Rf Vì lúc đó công suất đưa vào không đổi nênhiệu suất giảm, đây là nhược điểm của phương pháp này Mặt khác, tốc độ điềuchỉnh nhiều hay ít còn phụ thuộc vào tải lớn hay nhỏ.

3 Giới thiệu mô hình thực nghiệm.

3.1 Khối nguồn.

Khối nguồn.

Khối nguồn có nhiệm vụ như sau:

Cấp nguồn 220V AC cho PLC S7-200 và biến tần MM420

Ngoài ra khối nguồn còn cho ra nguồn 24V DC cấp nguồn cho các ngõ vào /ra của PLC , role trung gian, cảm biến

Hình 1.1 Khối nguồn cấp nguồn cho toàn hệ thống

Hình 1.2 Bộ điều khiển PLC S7-200 CPU 224 AC/DC/RELAY

3.3 Biến Tần MicroMaster 420.

Để đáp ứng đúng yêu cầu của đề tài điều chỉnh tốc độ ĐC KĐB 3 pha, mô hình thực nghiệm có sử dụng Biến tần MM420 đã được cài đặt các thông số như :

 Cài đặt thông số của động cơ KĐB 3 pha

 Cài đặt thông số cho chương trình ứng dụng

Hình 1.3 Biến Tần MicroMaster 420

3.4 Hệ truyền động ĐC KĐB 3pha – Băng tải.

Hệ truyền động ĐC KĐB 3pha – Băng tải là đối tượng điều khiển chính

Hình 1.4 Hệ truyền động ĐC KĐB 3 pha – Băng truyền.

Động cơ KĐB 3 pha có các thông số như sau:

Hình 1.5 Các thông số của ĐC KĐB 3 pha

Hình 1.6 Cảm biến quang khuếch tán

Relay là loại relay trung gian 24VDC có nhiệm vụ kết nối giữa thiết bị điều khiển chính PLC S7-200 và đối tượng là hệ truyền động cơ – băng tải

Hình 1.7 Khối relay trung gian 3.6 Sơ đồ Mô hình thực nghiệm.

Hình 1.8 Sơ đồ mô hình thực nghiệm

CPU: thi hành các chương trình và lưu trữ hoặc xử lý dữ liệu.

Nguồn cung cấp : cung cấp nguồn cho Modul chính và các Modul mở rộng của hệ

thống

Các đầu vào và các đầu ra :

 Các đầu vào: được nối với các thiết bị như là nút nhấn, sensor , các công tắchành trình

 Các đầu ra : Để điều khiển động cơ, máy bơm, các solenoid …

Các port giao tiếp : cho phép nối CPU với các thiết bị cần điều khiển Thông thườngPLC S7 - 200 có 2 port giao tiếp

Đèn báo trạng thái : nhằm báo hiệu trạng thái làm việc của CPU (chạy hoặc dừng)đèn báo các đầu vào, các đầu ra , đèn báo lỗi

2.1.2 Các Modul Mở Rộng :

S7 - 200 cho phép mở rộng thêm một số modul nhằm cung cấp thêm một số đầu vào

và đầu ra cho hệ thống điều khiển Các modul mở rộng được nối với CPU thông

Modul mở rộng Digital : nhằm cung cấp thêm một số đầu vào và một số đầu raDigital cho hệ thống điều khiển.

Ví dụ:

Module mở rộng Digital 223 cung cấp thêm 4 cổng vào và 4 cổng ra

Module mở rộng Analog 235 cung cấp thêm 4 cổng vào và 1 cổng ra

2 2 Các Nguyên Tắc Lập Trình S7 - 200

2.2.1 Chu Trình Hoạt Động Của S7 - 200

 Chương trình được lưu trữ trong CPU

 CPU đọc trạng thái đầu vào Theo trạng thái đầu vào, CPU xác định logicđiều khiển và chạy chương trình Khi chương trình chạy, CPU cập nhật

STATEMENT LIST (STL) : Sử dụng những mã từ gợi nhớ (memonic) đại diện cho

các chức năng của CPU

LADDER (LAD): Sử dụng ngôn ngữ hình ảnh giống như sơ đồ dùng rơle.

Các yếu tố cơ bản của LADDER :

Khi viết chương trình trong LAD, ta phải tạo ra và sắp xếp các thành phần đồ họa

để hình thành một mạch logic

Ví dụ:

 Contacts : (I 0.0, I 0.1, I 0.2) đại diện cho các tiếp điểm Trên hình vẽ I 0.0, I 0.2

là tiếp điểm thường mở, I 0.2 là tiếp điểm thường mở, I0.1 là tiếp điểm thườngđóng

 Coil : (Q0.0) là cuộn dây role hoặc solenoid của van

 Boxes : (T32) hộp đại diện cho 1 chức năng như timer, counter được thi hànhkhi I/O có dòng điện chạy qua hộp

Network : Các yếu tố được mô tả trên hình tạo thành một mạch hoàn chỉnh Dòng

điện chạy từ trái qua công tắc (khi đóng lại) và qua các Coil hoặc Boxes

Trong ví dụ trên, (Input) là các lối vào PLC, Q (Output) là các lối ra của PLC.Cấu trúc STATEMENT LIST:

STL là một ngôn ngữ lập trình mà mọi phần tử statement trong chương trình gồm một cấu trúc dùng mã từ gợi nhớ (memonic) để đại diện cho một chức năng của CPU Kết hợp cấu trúc này lại để tạo thành một chương trình điều khiển

Theo ví dụ trên, viết theo STL như sau:

2.2.3 Chọn kiểu làm việc cho CPU

Công tắc 3 vị trí của S7 - 200 cho phép chọn 1 trong 3 chế độ làm việc.:

STOP : CPU không thực hiện chương trình Ở chế độ này, CPU cho phép hiệuchỉnh chương trình hoặc nạp chương trình mới

RUN : Ở chế độ này PLC chạy chương trình ghi trong bộ nhớ Khi ở chế độ RUNkhông thể nạp chương trình vào CPU được

TERM (Terminal) : cho phép máy lập trình tự quyết định một trong các chế độ của

làm việc của PLC (RUN hoặc STOP)

Khi PLC đang ở chế độ RUN, PLC sẽ tự động chuyển sang chế độ STOP nếu trongchương trình gặp lệnh STOP hoặc PLC có sự cố

Nạp giá trị logic nghịch đảo của một tiếp điểm vào trong bit đầu tiên của ngăn xếp

bị đẩy lùi xuống một bit

2.3.3 Các Lệnh Điều Khiển Timer:

Timer là bộ tạo thời gian trễ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra

S7 - 200 cóhai loại Timer khác nhau đó là:

 Timer tạo thời gian trễ không có nhớ (On - delay Timer) ký hiệu là TON

 Timer tạo thời gian trễ có nhớ (Retentive On-Delay Timer) ký hiệu là

TONR

Cả timer kiểu TON và TONR cùng bắt đầu tạo thời gian trễ tín hiệu kể từ thời điểm

có sườn lên ở tín hiệu đầu vào được gọi là thời điểm được kích

Khi đầu vào có gia trị bằng 0, timer TON tự động RESET còn được gọi là TONR thì không tự động RESET Timer TON được dùng để tạo thời gian trễ trong nhiều khoảng khác nhau Các timer TON và TONR có 3 độ phân giải khác nhau là 1ms, 10ms, 100ms

 Timer của S7 - 200 có những tính chất cơ bản sau:

Các bộ timer được điều khiển bởi một cổng vào và giá trị tức thời Giá trị đếm tức thời trong ô nhớ trong thanh ghi 2-byte (gọi là T-word) của timer, xác định khoảng thời gian trễ kể từ khi timer được kích Giá trị đặt trước của các bộ timer được ký hiệu trong LAD và trong STL là PT

Các loại timer của S7 - 200 chia theo TON, TONR và độ phân giải bao gồm:

chỉnh tần số có thể điều chỉnh tốc độ động cơ thay đổi theo ý muốn trong một dảirộng.

Nguyên lý hoạt động của biến tần:

Nguyên lý chung của biến tần minh họa như hình:

+ Khối chỉnh lưu: Biến đổi nguồn vào xoay chiều thành nguồn một chiều

+ Khối Lọc: San phẳng, lọc nhiễu

+ Khối nghịch lưu: Biến đổi nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều 3 pha cấp cho động cơ xoay chiều 3 pha

+ Mạch điều khiển IGBT: Điều khiển 6 IGBT

Hình 2.1 Mạch điều khiển IGBT

Nguồn vào biến tần có thể là 1 pha 220, hoặc 3 pha 380V, từ đó ta có mạch chỉnh lưu cầu 1 pha hoặc 3 pha như hình trên

2.5 Biến tần MicroMaster 420.

2.5.1 Giới thiệu chung.

Biến tần MM420 là biến tần phổ dụng của dũng biến tần Micromaster, dùng chocác ứng dụng thông thường, công suất thấp đến trung bình (0,12 – 11 KW) Ứngdụng cho hệ thống bơm, quạt, băng tải hay một định vị đơn giản kết hợp với PLC(S7-200)…và cũng nhiều nhiệm vụ điều khiển mà biến tần MM420 có thể đảmnhiệm

- Chế độ điều khiển: V/F – FCC

- Điều khiển quá trình: PID

- Có giao diện truyền thông chuẩn RS485.(Mạng Profibus DP, mạng USS…)

2.5.2 Sơ đồ nguyên lý.