Điều khiển và ổn định tốc độ động cơ bằng PLC s7 200

BÀI TẬP LỚN Điều khiển và ổn định tốc độ động cơ bằng PLC s7 200 SỬ DỤNG BỘ ĐẾM TỐC ĐỘ CAO HSC, CÓ XÁC ĐỊNH CHIỀU QUAY, ............................................................................................................................................................................

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ THỐNG 4

1.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ KĐB 3 pha sử dụng PLC S7-2004 1.2 Giới thiệu chức năng, nhiệm vụ các khối có trong sơ đồ cấu trúc 4

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ PLC S7 – 200 4

2.1 Tổng quan về PLC S7-200 5

2.1.1 Cấu trúc bên trong của PLC 6

2.1.2. Mô tả các đèn báo trên S7-200: 6

2.1.3. Cách đấu nối ngõ vào ra PLC: 7

2.1.4 Cổng truyền thông: 7

2.1.5 Vít chỉnh tương tự 7

2.1.6 Cấu trúc phần cứng 8

2.1.7 Ngôn ngữ lập trình 10

2.2 Giới thiệu về bộ đếm tốc độ cao HSC 11

2.2.1 Hoạt động của HSC 11

2.2.2 Các loại HSC 12

2.2.3 Mode HSC1(CPU 224, 226) 13

2.2.4 Địa chỉ HSC 13

2.2.5 Thuật giải 15

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ, XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 18

3.1 Yêu cầu công nghệ 18

3.2 Lựa chọn thiết bị 19

3.2.1 PLC S7 – 200 19

3.2.2 Cảm biến quang encorder 20

3.2.3 Động cơ không đồng bộ 3 pha 23

3.2.4 Áp tô mát (MCB) 24

3.2.5 Contactor 24

3.3 Sơ đồ đấu nối 25

3.3.1 Mạch động lực 25

3.3.2 Mạch điều khiển 26

3.4 Lưu đồ thuật toán 27

3.5 Chương trình điều khiển 27

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 31

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay trong các nhà máy xí nghiệp hay công xưởng, đều sử dụngmáy tính vào việc đo lường điều khiển tính toán, quán lý hành chính, nhờ cóđặc điểm gọn nhẹ độ tin cậy cao Linh hoạt và đơn giản trong sử dụng đặcbiệt là nền công nghiệp hiện đại máy tính điện tử không những góp phần vàoviệc nâng cao năng suất lao động, và đóng góp phần vào việc sức khỏe củacon người

Để hoàn thành công việc trên chúng ta phải kết nối máy tính với nhau Và cácthiết bị ngoại vi khác nhập dữ liệu sử lý dữ liệu cho các thiết bị khác,để thựchiện được trước tiên ta phải kết nối phần cứng cho phù hợp và viết chươngtrình truyền dữ liệu

Và chúng em xin chân thành cám ơn cô giáo bộ môn kỹ thuật lập trình

PLC “BÙI THỊ KHÁNH HÒA” và các thầy cô trong bộ môn Đo lường điều

khiển đã hướng dẫn chúng em hoàn thành xong đề tài này Do kiến thức cònhạn chế nên còn nhiều chỗ thiếu sót Vậy nên chúng em rất mong được sự góp

ý của các thầy cô để đề tài của chúng em được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1 CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ THỐNG

1.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ KĐB 3

pha sử dụng PLC S7-200

Hình 1.1 cấu trúc của hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ KĐB 3

pha sử dụng PLC1.2 Giới thiệu chức năng, nhiệm vụ các khối có trong sơ đồ cấu trúc

c Động cơ không đồng bộ 3 pha và cảm biến encorder

Động cơ không đồng bộ 3 pha là đối tượng điều khiển của hệ thống ở đầu trục của động cơ có gắn encorder để chuyển tín hiệu tốc độ sang

dạng xung để đưa vào PLC Từ đó PLC xử lý tín hiệu và điều khiển tốc

- Dòng PLC S7-200 có hai họ là 21X ( loại cũ) và 22X ( loại mới), trong

đó họ 21X không còn sản xuất nữa.Họ 21X có các đời sau:210, 212, 214,215-2DP, 216; họ 22X có các đời sau:221, 222, 224, 224XP, 226, 226XM

- PLC đặt biệt sử dụng trong các ứng dụng hoạt động logic điều khiển chuổi sự kiện

- PLC có đầy đủ chức năng và tính toán như vi xử lý Ngoài ra, PLC cótích hợp thêm một số hàm chuyên dùng như bộ điều khiển PID, dịch chuyểnkhối dữ liệu, khối truyền thông,…

- PLC có những ưu điểm:

+ Có kích thước nhỏ, được thiết kế và tăng bền để chịu được rung động,nhiệt, ẩm và tiếng ồn, đáng tin cậy

+ Rẻ tiền đối với các ứng dụng điều khiển cho hệ thống phức tạp

+ Dễ dàng và nhanh chống thay đổi cấu trúc của mạch điều khiển

+ PLC có các chức năng kiểm tra lỗi, chẩn đoán lỗi

+ Có thể nhân đôi các ứng dụng nhanh và ít tốn kém

2.1.1 Cấu trúc bên trong của PLC

Hình 2.1 cấu trúc bên trong của PLCMột hệ thống lập trình cơ bản phải gồm có 2 phần: Khối xử lý trungtâm

(CPU: Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào/ra ( I/O)

2.1.2 Mô tả các đèn báo trên S7-200:

- SF (đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu khi PLC có hỏng hóc.

- RUN (đèn xanh): Đèn xanh sáng báo hiệu PLC đang ở chế độ làm

việc và thực hiện chương trình nạp ở trong máy

- STOP (đèn vàng): Đèn vàng sáng báo hiệu PLC đang ở chế độ

dừng, không thực hiện chương trình hiện có

- Ix.x (đèn xanh)chỉ trạng thái logic tức thời của cổng Ix.x Đèn sáng

Chân 2: nối nguồn 24VDC

Chân 3: truyền và nhận dữliệu

Chân 4: không sửdụng

Chân 5: đất

Chân 6: nối nguồn 5VDC

Chân 7: nối nguồn 24VDC

Chân 8: Truyền và nhận dữliệu

Chân 9: không sử dụng

Hình 2.3 sơ đồ các chân cổng truyền thông

2.1.5 Vít chỉnh tương tự.

để thay đổi giá trị của vùng nhớ biến trong chương trình

Bảng 2.1 Tính năng các vùng nhớ của S7-200

khi mất nguồnVùng chương

trình ở

EEPROM

Lưu trữ các lệnhcủa CT

Vùng tham số ở

EEPROM

Lưu trữ thôngsố

Vùng dữ liệu ở

EEPROM

Lưu trữ kết quảphép tính, hằng

số, tạo các bộđệm

Counter, cáccổng vào/ra

- SUBROUTIN: chứa chương trình con, được tổ chức thành hàm và

có biến hình thức để trao đổi dữ liệu, chương trình con sẽ được thựchiện khi có lệnh gọi từ chương trình chính

- INTERRUPT: miền chứa chương trình ngắt, được tổ chức thànhhàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất kì một khối chươngtrình nào khác.chương trình này sẽ được thực hiện khi có sự kiệnngắt xảy ra

c Vùng nhớ dữ liệu.

Vùng nhớ dữ liệu là vùng nhớ động Nó có thể truy cập theo từngbit, từng byte, từng từ đơn (word) hay từ kép (double word) vùng dữliệu được chia thành những vùng sau:

- V: vùng nhớ biến

- I: vùng đệm đầu vào

- Q: vùng đệm đầu ra

- M: vùng nhớ cho các bit nội

- SM: vùng nhớ đặc biệt theo bit

d Vùng đối tượng

Vùng đối tượng dùng để lưu giữ dữ liệu cho các đối tượng lập trình gồm:

Các giá trị tức tời; giá trị đặt của bộ đếm, timer

Bảng 2.2 các giá trị thuộc vùng đối tượng

AIW0 toAIW62

AQW0 toAQW62

HC0, HC3,HC4, HC5

2.1.7 Ngôn ngữ lập trình.

Có 3 dạng ngôn ngữ lập trình cơ bản đó là:

- Phương pháp hình thang (LAD)

- Phương pháp liệt kê lệnh (STL)

- Phương pháp theo dạng dữ liệu hình khối (DB)

Trong đồ án chúng em sử dụng phương pháp hình thang (LAD).LAD là 1 ngôn ngữ lập trình bằng đồ họa Những thành phần cơ bảndùng trong LAD tương ứng với các thành phần của bảng điều khiểnbằng rơle Trong chương trình LAD các phần tử cơ bản dùng đểbiểu diễn lệnh logic như sau:

+ Tiếp điểm thường mở: | |

+ Tiếp điểm thường đóng: | |

+ Cuộn dây rơ le: ( )

+ Hộp (box): là biểu tượng mô tả cá hàm khác nhau, nó làm việc khi

có dòng điện chạy đến hộp những dạng hàm thường được biểu diễnbằng hộp là các bộ thời gian (timer), bộ đếm (counter) và các hàmtoán học

+ mạng LAD: là các đường nối các phần tử thnahf 1 mạch hoànthiện, đi từ đường nguồn bên trái sang dường nguồn bên phải đườngnguồn bên trái là dây nóng, cấp (đường nguồn bên phải thườngkhông thực được thể hiện khi dùng chương trình tiện dụng STEP7-Micro/Dos hoặc Micro/win)

2.2 Giới thiệu về bộ đếm tốc độ cao HSC

2.2.1 Hoạt động của HSC

HSC dùng để đếm sự kiện tốc độ cao mà không phụ thuộc vào chu kì quét trong PLC và có tương ứng 12 mode hoạt động khác nhau Tần số đếm lớn nhất của HSC phụ thuộc vào loại CPU có thể đạt tối đa 30khz

Mỗi counter có các ngõ vào xác định hỗ trợ các chức năng: xung clock, hướng điều khiển, reset và start.Trong chế độ đếm 2 pha, cả 2xung clock có thể hoạt động ở tốc độ lớn nhất Còn trong chế độ một phần tư, thì tùy ý chọn hoạt động theo kiểu 1x và 4x Tất cả các counter hoạt động ở tốc độ lớn nhất khi không giao tiếp với các hoạt động khác

HSC sử dụng một shaft encoder để xác định số xung trên một vòng quay và reset số xung đó trên một vòng quay Số xung clock

và xung reset từ shaft encoder cung cấp đến các ngõ vào của HSC Dặt giá trị đếm xung tương ứng PV, khi số xung hoạt động CV bằngvới CV thì xảy ra ngắt, một giá trị đặt PV mới sẽ được setup

Sơ đồ sau trình bày các chức năng của mỗi counter tùy vào MODE

Hình 2.5 Ví dụ có reset mà không có start

Hình 2.6 Ví dụ hoạt động bằng reset và start2.2.2 Các loại HSC

S7 200 có 6 bộ đếm tốc độ cao từ HSC0 đến HSC5 Các ngõ vào trong PLC tương ứng với xung clock, hướng điều khiển, start và reset các chức năng ngõ vào này và mode HSC được cho dưới bảngsau

Dạng: HC[Số HSC]HC2

Hình 2.7 Định địa chỉ HSCBảng 2.5.Chọn trạng thái tác động của mode 1x và 4x.

 Byte điều khiển

Bảng 2.6 Bảng địa chỉ chỉ mô tả các bit điều khiển

Sắp đặt các giá trị hiện hành CV và giá trị đặt PV:

Mỗi HSC có một giá trị hiện hành 32 bit và giá trị đặt 32 bit Cả hai giátrị này là các gia trị nguyên có dấu Để load giá trị PV hoặc CV mới vào HSC, cần phải setup byte điều khiển và byte nhớ đặc biệt Khi đó cần phải thực hiện lại lệnh HSC

Bảng 2.7 mô tả các byte nhớ đặc biệt

Các bước mô tả thuật giải HSC1 đối với bộ đếm một pha

up/down bằng hướng nội (Internal direction)

Bước 1: Sử dụng bit nhớ trong chu kì quét đầu tiên gọi chương trình

con để khởi tạo dạng hoạt động Khi sử dụng chương trình con này, các vòng quét theo sau đó sẽ không gọi chương trình con này nữa, chương trình con này có chức năng thiết lập cấu trúc chương trình

Bước 2: Trong chương trình con khởi đầu, load SMB47 tùy theo

yêu cầu hoạt động điều khiển Ví dụ:

SMB47=16#F8 đưa ra các kết quả sau:

 Cho phép đếm.

Bước 3: Thực hiện lệnh HDEF với ngõ vào HSC cài đặt bằng 1 và

mode ngõ vào cài đặt bằng 0 cho việc không reset hoặc start bên ngoài(extemal), còn bằng 1 cho việc reset extemal mà không start hoặc bằng 2 cho cả reset và start extemal

Bước 4: Load SMD48 bằng yêu cầu giá trị hiện hành(load bằng 0 để

clear chúng)

Bước 5: Load SMD52 bằng cách yêu cầu giá trị đặt(preset).

Bước 6: Khi giá trị PV=CV thì xảy ra xự kiện ngắt(sự kiện 13),

chương trình con ngắt được gọi

Bước 7: Khi có sự kiện reset bên ngoài, chương trình ngắt bằng sự

kiện reset bên ngoài(sự kiện 15) để cho phép chương trình con ngắt

Bước 8: Thực thi ngắt toàn bộ dể cho phép lệnh(ENI) ngắt.

Bước 9: Thực thi lệnh HSC để tạo chương trình HSC1 của S7-200 Bước 10: Exit chương trình con.

Hình 2.8 giản đồ thể hiện lệnh đếm

b Thay đổi về hướng điều khiển nội(mode 0, 1, 2):

Bước 1: Load SMB47 để ghi hướng điều khiển mong muốn.

SMB47 = 16#90: Cho phép đếm, set hướng đếm xuống của HSC.SMB47 = 16#98: Cho phép đếm, set hướng đếm lên của HSC

Bước 2: Thực hiện lệnh HSC để tạp ra chương trình HSC1 của

S7-200

c Load giá trị hiện hành mới.

Thực hiện theo các bước sau:

Bước 1: Load SMB47 để ghi giá trị hiện hành mới.

SMB47 = 16#CO: Cho phép đếm, ghi giá trị hiện hành mới

Bước 2:Thực thi lệnh HSC để tạo ra chương trình HSC1 của

S7-200

d Load giá trị đặt PV mới(tất cả các mode)

Thực hiện theo các bước sau:

Bước 1: Load SMB47 để ghi giá trị dặt mong muốn.

SMB47 = 16#AO: Cho phép đếm ghi giá trị đặt mới

Bước 2: Load SMD52 với giá trị dặt PV mong muốn.

Bước 3: Thực thi HSC để tạo ra chương trình HSC1 của S7-200.

e Vô hiệu hóa HSC(tất cả các mode)

Thực hiện theo các bước sau:

Bước 1: Load SMB47 để vô hiệu hóa counter.

SMB47 = 16#00: vô hiệu hóa counter

Bước 2: Thực thi lệnh HSC để vô hiệu hóa counter

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ, XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

3.1 Yêu cầu công nghệ

Đo và điều khiển tốc độ động cơ với dải đo 0 – 1500 (vòng / phút) và ổn định tốc độ động cơ trong dải 600-1000 (vòng/phút) bằng encoder.

Hình 3.1 cấu trúc hệ thống điều khiểnTrong đó:

Các nút ấn START, STOP: để khởi động và dừng hệ thống.Đèn RUN: Báo hệ thống làm việc

Đèn SLA: cảnh báo tôc độ thấp

Đèn SHA: cảnh báo tốc độ cao

như sau: Chọn Encoder loại 1 kênh có 100 xung/vòng

- Ta thực hiện đo xung vào từ encoder trong khoảng 20ms (chu kì lấy mẫu) Gọi N là số xung trong 20ms

 Có rất nhiều phương pháp thay đổi tốc độ động cơ nhưng trong đề tài này chúng em sẽ sử dụng phương pháp thay đổi tốc độ động cơ qua 3 cấp điện trở phụ rôto.

+ Điều khiển PID: có

+ Phần mềm: Step7 Micro / Win

+ Thời gian xử lí 1024 lệnh nhị phân: 0,37ms

+ Bit memory / Counter / Timer: 256 /256 /256

+ Bộ đếm tốc độ cao: 6 × 60 Khz

+ Bộ đếm lên / xuống : có

+ Kích thước rộng x cao x sâu : 120 x 80 x 62

Hình 3.3 : Sơ đồ các cổng vào/ra của PLC 3.2.2 Cảm biến quang encorder

- Một đĩa xẻ rãnh được gắn trêntrục

- Đầu đọc gồm 1 - 3 bộ thu phát quang

- Đầu ra là xung vuông

Hình 3.4 : Sơ đồ hoạt động đĩa quang mã hóa

Bản chất của encoder là sự kết hợp cảm biến quang với 1 đĩa mã hóa Ta có thể xem một cách đơn giản là trên đĩa mã hóa có các phần cho ánh sáng đi qua và các phần không cho ánh sang đi qua một cáchxen kẽ nhau Đĩa sẽ quay do tác động của chuyển động quay của đối tượng cần đo tốc độ Nguồn sáng lắp đặt sao cho ánh sáng liên tục được tập trung xuyên qua đĩa mã hóa Bộ phận thu nhận ánh sáng được lắp ở mặt sau của đĩa mã hóa sao cho có thể nhận được ánh sáng đĩa được lắp đặt trên trục của động cơ hay thiết bị khác cần đo tốc độ hoặc xác định vị trí sao cho khi trục quay , đĩa cũng sẽ quay Khi đĩa quay bộ phận nhận ánh sáng sẽ nhận được ánh sáng một cách rời rạc kết quả là tín hiệu nhận được ở ngõ ra là dạng xung vuông

Phụ thuộc vào số rãnh trên 1 vòng

Ví dụ: có loại 100 P/R, 360 PR,1000P/R, 3600P/R…

- Ưu điểm: Đầu ra dạng xung, nên trong các hệ thống điều khiển số không cần bộ chuyển đổi ADC Dễ sử dụng,dễ đọc tín hiệu

- Nhược điểm: Có thể cần mạch giải mã và mạch đếm Không lưu được giá trị khi bị mất điện

 Các loại Encoder xung:

- Loại 1 kênh:

Hình 3.5: Encoder loại tương đối

Vị trí được xác định dựa vào số xung đếm được Mỗi xung ứng với

1 góc cho trước

Sử dụng cặp thu phát quang thứ 2 để xác định điểm chuẩn

Không xác định thông tin về hướng

- Encoder xung 2 kênh:

Hình 3.6 : loại encoder 2 kênh

Thường có kênh A ( V1); kênh B(V2); và kênh Z ( điểm chuẩn ) CCW : Khi V2 chuyển từ 1 xuống 0 thì V1 ở mức cao

CW : Khi V2 chuyển từ 1 xuống 0 thì V1 ở mức thấp

Cách đơn giản nhất để thực hiện giả mã là dung Flip_Flop

Hình 3.7 : Mạch giải mã và dạng song giải mã của V1 và V2

3.2.3 Động cơ không đồng bộ 3 pha

Với đề tài này em chọn động cơ không đồng bộ ro to lồng sóc có thông số sau:

Động cơ không đồng bộ 3 pha Vihem =0.37KW , Y-380, f=50Hz, I=10A, n=1500v/ph, cos=0.8

Hình 3.8 động cơ không đồng bộ 3 pha

Hình 3.11 sơ đồ mạch điều khiển3.4 Lưu đồ thuật toán

Đ Đ Đ

S S

Quá trình cứ tiếp tục như vậy để ổn định tốc độ trong khoảng 600 – 1000 (v/p) khi ấn stop thì hệ thống dừng hoạt động.

Hình 3.14 chương trình con khai báo HSC

Từ những kiến thức có được kết hợp với tìm hiểu tài liệu trên mạngchúng em đã hoàn thành xong đề tài “ỨNG DỤNG PLC S7-200 ĐIỀUKHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA”

Do kiến thức còn hạn chế nên việc hoàn thành đề tài này sẽ không tránh được

những sai lầm thiếu sót Chúng em rất mong được sự phê bình đánh giá củacác thầy cô để chúng em có thể rút ra được kinh nghiệm và cũng nhằm bổsung kiến thức cho mình.

THE END