Điều khiển và ổn định tốc động cơ bằng PLC S7-1200

CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ THỐNG1.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ KĐB 3 pha sử dụng PLC S7-1200 Hình 1.1: Cấu trúc của hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động

Mục Lục

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 S7-1200 4

1.2 Giới thiệu chức năng, nhiệm vụ các khối có trong sơ đồ cấu trúc 4

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200 5

2.1 Giới thiệu PLC S7-1200 5

2.2 PLC S7-1200 CPU 1214C 8

2.3 Cấu tạo và trạng thái đèn báo 9

2.3.1 Cấu tạo bên ngoài 9

2.3.2 Trạng thái đèn báo 10

2.3.3 Cấu trúc bên trong 11

2.3.4 Phân vùng bộ nhớ S7-1200 11

2.4 Cách đấu nối ngõ vào ra PLC DC/DC/DC: 12

2.5 Ngôn ngữ lập trình 12

2.6 Giới thiệu về bộ đếm tốc độ cao HSC trong S7-1200 17

2.6.1 Tập lệnh xử lý xung tốc độ cao 17

2.6.2 Hoạt động của bộ đếm tốc độ cao 19

2.6.3 Lựa chọn kênh đếm tốc độ cao HSC 20

2.6.4 Lựa chọn chức năng đếm cho bộ HSC 21

2.6.5 Địa chỉ vào cho bộ đếm tốc độ cao hsc 21

2.7 Giới thiệu về PID trong S7-1200 21

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ, XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 24

3.1 Yêu cầu công nghệ 24

3.2 Lựa chọn thiết bị 26

3.2.1 PLC S7-1200 26

3.2.4 Biến tần V20 28

3.2.5 Động cơ không đồng bộ 3 pha 29

3.2.6 Nút ấn 30

3.2.7 Đèn báo trạng thái 31

3.3 Sơ đồ đấu nối 32

3.4 Khai báo HSC_1 33

3.5 Lưu đồ thuật toán và biểu đồ thời gian 35

3.5.1 Biểu đồ thời gian 35

3.5.2 Lưu đồ thuật tóan 35

3.6 Cài đặt thông số biến tần V20 37

3.7 Tìm thông số bộ PID 38

3.8 Viết chương trình 39

3.9 HMI 43

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 44

Lời mở đầu

Ngày nay trong các nhà máy xí nghiệp hay công xưởng, đều sử dụng máy tính vàoviệc đo lường vào việc đo lường điều khiển tính toán, quản lý hành chính, nhờ có đặc điểmgọn nhẹ độ tin cậy cao Linh hoạt và đơn giản trong sử dụng đặc biệt là nền công nghiệphiện đại máy tính điện tử không những đóng góp phần việc nâng cao năng suất lao động, vàđóng góp phần vào việc sức khỏe con người

Để hoàn thành công việc trên chúng ta phải kết nối máy tính với nhau Và các thiết bịngoại vi khác nhập dữ liệu sử lý dữ liệu cho các thiết bị khác, để thực hiện được trước tiên taphải kết nối phần cứng cho phù hợp và viết chương trình truyền dữ liệu

Và chúng em xin chân thành cảm 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 em

hoàn thành xong đề tài này Do kiến thức còn hạn chế nên còn nhiều chỗ thiếu sót Vậy nên

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 S7-1200

Hình 1.1: Cấu trúc của hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động cơ KĐB 3 pha sử dụng PLC

1.2 Giới thiệu chức năng, nhiệm vụ các khối có trong sơ đồ cấu trúc

c Biến tần

 Dùng để cài đặt thời gian tăng tốc, thời gian giảm tốc, chạy dừng, hãm động cơ

d Động cơ không đồng bộ 3 pha và cảm biến encoder

 Động cơ không đồng bộ 3 pha là đối tượng điều khiển của hệ thống Ở đầu trục củađộng cơ có gắn encoder để chuyển tín hiệu tốc độ sang dạng xung để đưa vào PLC

Từ đó PLC xử lý tín hiệu và điều khiển động cơ ở tốc độ ổn định

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200 2.1 Giới thiệu PLC S7-1200

 1200 ra đời năm 2009 dùng để thay thế dần cho 200 So với 200 thì

S7-1200 có những tính năng nổi trội hơn

 S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát nhiềuứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh làm chochúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200

 S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, cácđầu vào/ra (DI/DO)

 Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trìnhđiều khiển:

 Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC

 Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình

 S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP Ngoài rabạn có thể dùng các module truyền thong mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc RS232

 13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau bao gồm (module SM và SB)

 2 module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP

 Module mở rộng PLC S7-1200

 PLC S7-1200 có thể mở rộng các module tín hiệu và các module gắn ngoài để

mở rộng chức năng của CPU Ngoài ra, có thể cài đặt thêm các moduletruyền thông để hỗ trợ giao thức truyền thông khác

 Khả năng mở rộng của từng loại CPU tùy thuộc vào các đặc tính, thông số vàquy định của nhà sản xuất

 S7-1200 có các loại module mở rộng sau:

 Cổng truyền thông Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn:

 Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thông PLC

PLC- Dùng kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet mở

 Đầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo

 Tốc độ truyền 10/100 Mbits/s

 TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol

 Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình:

 6 bộ đếm tốc độ cao (high speed counter) dùng cho các ứng dụng đếm

và đo lường, trong đó có 3 bộ đếm 100kHz và 3 bộ đếm 30kHz

 2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ và vị trí động cơ bước hay

bộ lái servo (servo drive)

 2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ và vị trí động cơ bước hay

bộ lái servo (servo drive)

 16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số điểukhiển (auto-tune functionality)

 Thiết kế linh hoạt:

 Mở rộng tín hiệu vào/ra bằng board tín hiệu mở rộng (signal board), gắntrực tiếp phía trước

 CPU, giúp mở rộng tín hiệu vào/ra mà không thay đổi kích thước hệđiều khiển

 Mỗi CPU có thể kết nối tối đa 8 module mở rộng tín hiệu vào/ra

 Ngõ vào analog 0-10V được tích hợp trên CPU

 3 module truyền thông có thể kết nối vào CPU mở rộng khả năngtruyền thông, vd module RS232 hay RS485

 Card nhớ SIMATIC, dùng khi cần rộng bộ nhớ cho CPU, copy chươngtrình ứng dụng hay khi cập nhật firmware

 Chẩn đoán lỗi online / offline

 Lập trình

 Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic Step7 Basic hỗ trợ bangôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trongTIA Portal 11 của Siemens

 Giao tiếp

 S7-1200 hỗ trợ kết nối Profibus và kết nối PTP (point to point)

 Giao tiếp PROFINET với:

 Các bộ điều khiển SIMATIC khác

 Ngõ vào ra số: 14 Inputs/ 10 outputs

 Ngõ vào tương tự: 2 Inputs

 Board tín hiệu/ truyền thông: 1

 Module truyền thông: 3

 Bộ đếm tốc độ cao: total: 6

 1 Pha 3 x 100KHz/ 3 x 30KHz

 2 Pha 3 x 80KHz/ 3 x 20KHz

 Ngõ ra xung: 4

 Card nhớ: SIMATIC Memory card (optional)

 Lưu trữ thời gian đồng hồ thời gian thực: Chuẩn là 20 ngày/ nhỏ nhất 12 ngày

 PROFINET: 1 cổng truyền thông Ethernet

 Tốc độ thực thi phép toán thực: 2.3 µ/ lệnh

 Tốc độ thực thi logic Boolean: 0.08 µ/ lệnh

2.3 Cấu tạo và trạng thái đèn báo

2.3.1 Cấu tạo bên ngoài

Hình 2.4: Cấu tạo của bộ điều khiển Siemens CPU s7-1200

1 Kết nối nguồn

2 Khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên

4 Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp

5 Bộ phận kết nối PROFINET (phía trên của CPU)

 LINK: màu xanh báo hiệu việc kết nối với máy tính thành công

 Rx / Tx: Đèn vàng nhấp nháy báo hiệu tín hiệu được truyền Đèn cổng vào ra:

 Ix.x (đèn xanh): Đèn xanh ở cổng vào báo hiệu trạng thái tức thời của cổngIx.x đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị của thiết bị vào

 Qx.x (đèn vàng): Đèn xanh ở cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời của cổngQx.x Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng

2.3.3 Cấu trúc bên trong

Hình 2.5: Cấu trúc bên trong PLC

 Cũng giống như các PLC cùng họ khác, PLC S7 1200 có 4 bộ phận cơ bản: bộ

xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất/ nhập

 Bộ xử lý trung tâm (CPU): Chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín hiệu được nhậpvào và thực hiện các hành động điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC

Bộ nguồn: Có nhiệm vụ chuyển điện áp AC thành DC (24V) cần thiết cho các

bộ vi xử lý cũng như các mạch điện có trong module giao tiếp nhập và xuấthoạt động

 Bộ nhớ: Lưu trữ các chương trình để sử dụng cho các hoạt động dưới sự quản

lý của bộ vi xử lý

 Các thành phần giao tiếp nhập/ xuất: Là nơi nhận thông tin từ các thiết bị ngoại

vì rồi gửi cho các thiết bị điều khiển Tín hiệu vào có thể là công tắc, cảm biến,

… , tín hiệu ra có thể là động cơ, biến tần, …

2.3.4 Phân vùng bộ nhớ S7-1200

PLC có 3 loại bộ nhớ sử dụng là Load memory, work memory và Retentive Memory

 Load memory chứa bộ nhớ của chương trình khi bạn down xuống

 Work memory là bộ nhớ lúc làm việc

 System memory thì có thể setup vùng này trong Hardware config, chỉ cần chứacác dữ liệu cần lưu vào đây

 CPU 1214C :

o Load memory 2Mb

o Work memory 50Kb

o System memory 2Kb

2.4 Cách đấu nối ngõ vào ra PLC DC/DC/DC:

Hình 2.6: Sơ đồ đấu nối

2.5 Ngôn ngữ lập trình

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

o Phương pháp hình thang (LAD)

o Phương pháp liệt kê lệnh (STL)

o 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 bản dùng trong LADtương ứng với các thành phần của bảng điều khiển bằng rơle Trong chương trình LADcác phần tử cơ bản dùng để biểu diễn lệnh logic sẽ được sử dụng trong bài như sau:

1) Tiếp điểm thường hở

>= IN2, IN1 <= IN2, IN1 <

IN2, IN1 > IN2 hoặc IN1 <> IN2 L

A

So sánh 2 kiểu dữ liệu giống nhau, nếu lệnh so sánh thỏa thì ngõ ra sẽ là mức 1 = TRUE (tác động mức

D cao) và ngược lại

Kiểu dữ liệu so sánh là : SInt, Int,

Dint, USInt, UDInt, Real, LReal, String,

Char, Time, DTL, Constant.

Lệnh nhân MUL : OUT

= IN1*IN2 Lệnh chia DIV : OUT = IN1/IN2

Tham số IN1, IN2 phải cùng kiểu dữ liệu : SInt, Int, Dint, USInt, UInt, UDInt, Real, LReal, Constant

Tham số OUT có kiểu dữ liệu : SInt, Int, Dint, USInt, UInt, UDInt, Real, LReal

Tham số ENO = 1 nếu không có lỗi xảy ra trong quá trình thực thi Ngược lại ENO

= 0 khi có lỗi, một số lỗi xảy ra khi thực hiện lệnh này :

-Kết quả toán học nằm ngoài phạm vi của kiểu dữ liệu.

-Chia cho 0 (IN2 = 0)

-Real/LReal : Nếu một trong những giá trị đầu vào là

NaN sau đó được trả về NaN.

-ADD Real/LReal : Nếu cả hai giá trị IN là INF có

IN : nguồn giá trị đến OUT1: Nơi chuyển đến L

Lệnh Move_BLK sao chép các nội dung của một vùng nhớ IN đến một bộ nhớ xác định khác Số lượng các

A

D

giá trị được sao chép được quy định trong COUNT Hoạt động sao chép theo hướng tăng dần các địa chỉ

Tham số:

EN : cho phép ngõ vào ENO : cho phép ngõ ra

IN : nguồn giá trị đến COUNT : số giá trị sao chép OUT1: Nơi chuyển đến

IN : giá trị ngõ vào D

OUT : giá trị sau khi chuyển đổi

2.6 Giới thiệu về bộ đếm tốc độ cao HSC trong S7-1200

 Lệnh CTRL_HSC điều khiển các bộ đếm tốc độ cao được sử dụng để đếm các sựkiện xuất hiện nhanh hơn tốc độ thực thi OB Tốc độ đếm của các lệnh bộ đếm CTU,CTD và CTUD bị giới hạn bởi tốc độ thực thi của OB

 Một ứng dụng thông dụng của các bộ đếm tốc độ cao là đếm các xung được sinh rabởi một encoder gắn trên trục đông cơ

2.6.1 Tập lệnh xử lý xung tốc độ cao

 Mỗi lệnh CTRL_HSC sử dụng một khối DB để lưu trữ dữ liệu Khối DB được STEP

7 tự động tao ra khi gọi khối hàm CTRL_HSC

DIR IN Bool 1 = Yêu cầu hướng đếm mới

( chỉ dành cho chế độ đo tần số)

1 = tiến; -1 = lùi

NEW_PERIO

 Chúng ta phải cấu hình thông số cho mỗi HSC trên phần Device configuration trênCPU : chế độ đếm, kết nối I/O, gán ngắt

 Các thông số của lệnh CTRL_HSC điều khiển tiến trình đếm :

 Thiết lập chiều đếm tại giá trị NEW_DIR

 Thiết lập giá trị đếm hiện tại tại giá trị NEW_CV

 Thiết lập giá trị tham chiếu tại giá trị NEW_RV

 Thiết lập giá trị chu kỳ (cho chế độ đo tần số) tại giá trị NEW_PERIOD

 Nếu giá trị của các cờ BOOL = 1 khi lệnh CTRL_HSC được thực hiện, thì giá trịNEW_XXX tương ứng sẽ được nạp vào counter

 DIR = 1 yêu cầu nạp giá trị cho NEW_DIR

 CV = 1 yêu cầu nạp giá trị cho NEW_CV

 RV = 1 yêu cầu nạp giá trị cho NEW_RV

 PERIOD = 1 yêu cầu nạp giá trị cho NEW_PERIOD

 Lệnh CTRL_HSC thường được đặt trong 1 khối OB phần cứng, Khối OB này đượcthực hiện khi sự kiện ngắt phần cứng bộ đếm được kích hoạt

 Mã điều kiện : trong trường hợp có lỗi ENO được đặt về 0 và ngõ ra STATUS chứamột trong các mã điều kiện sau:

80C0 Nhiều truy cập vào bộ đếm tốc độ cao

80D0 Bộ đếm tốc độ cao (HSC) không bật trong cấu hình phần cứng

CPU

2.6.2 Hoạt động của bộ đếm tốc độ cao

 Bộ đếm tốc độ cao (HSC) đếm các sự kiện xảy ra nhanh hơn tốc độ thực hiện

OB Nếu chỉ đếm xung bình thường và chậm hơn tốc độ OB, thì sử dụng các

bộ đếm CTU, CTD, CTUD Lệnh CTRL_HSC cho phép người dùng chương trình để lập trình vài thông số của HSC

 Ví dụ: người dùng có thể sử dụng bộ đếm HSC để nhận tín hiệu trả về từ một encoder

 HSC được tải với các cài đặt trước đầu tiên và đầu ra được kích hoạt trong khoảng thời gian khi đếm hiện tại nhỏ hơn giá trị đặt trước HSC ngắt khi đếm hiện tại bằng với giá trị đặt trước, khi Reset xảy ra, và cả khi có sự cố thay đổi phương hướng

 Khi giá trị đếm hiện tại bằng giá trị đặt trước ngắt xảy ra, 1 giá trị đặt trước mới được tải và trạng thái tiếp theo cho đầu ra được cài đặt Khi ngắt được cài đặt lại xảy ra, cài trước đầu tiên và trạng thái đầu ra đầu tiên được đặt và chu

kỳ lặp lại

 Các các ngắt xảy ra ở tốc độ thấp hơn so với tốc độ bộ đếm của HSC, nên việc

2.6.3 Lựa chọn kênh đếm tốc độ cao HSC

CPU Địa chỉ Input Single phase and Two phase AB quadrature

2.6.4 Lựa chọn chức năng đếm cho bộ HSC

 Có 4 chức năng cơ bản của HSC là:

 Đếm Single-phase với điều hướng internal

 Đếm Single-phase với điều hướng external

 Đếm 2 phase với 2 ngõ vào xung

 Đếm phase A/B lệch nhau 900 (A/B phase quadrature)2.6.5 Địa chỉ vào cho bộ đếm tốc độ cao hsc

 Tín hiệu đầu vào cho tất cả các bộ HSC cần phải được kết nối với CPU, haysignal board để kết nối với CPU Đồng thời, người dùng cần phải cấu hình vàbật cho các bộ HSC hoạt động trong Device configuration

 Chú ý: cần phải chú ý không cấu hình cũng một ngõ vào nhưng được dùng bởihai bộ HSC

2.7 Giới thiệu về PID trong S7-1200

 STEP 7 cung cấp các loại lệnh PID sau cho CPU-S71200:

o PID_compact sử dụng để kiểm soát các quy trình kỹ thuật với các biếnđầu vào và đầu ra liên tục

o PID_3Step được sử dụng để điều khiển các thiết bị được kích hoạt bằngđộng cơ, chẳng hạn như các van yêu cầu tín hiệu riêng biệt để truyềnđộng mở và đóng

 Cả hai lệnh PID đều có thể tính toán các thành phần P, I và D trong khi khởiđộng (Nếu được định cấu hình “pretuning”) Cũng có thể định cấu hình hướngdẫn “Fine turning” để cho phép tối ưu hóa các tham số Chúng ta không cầnphải tự xác định các tham số

 Lệnh PID_Compact

o Sử dụng công thức sau để tính toán

b: Trọng số hành động theo tỷ lệ(thành phần P)

c: Trọng số hành động phát sinh(thành phần D)

Thông số và loại Kiểu dữ liệu Mô tả

Setpoint IN Real Điểm đặt của bộ điều khiển PID ở chế độ tự động Giá trị mặc

định: 0,0 Input IN Real Giá trị quá trình Giá trị mặc định: 0,0

Input_PER IN Word Giá trị quá trình tương tự (tùy chọn) Giá trị mặc định: W # 16 #

0 ManualEnable IN Bool Bật hoặc tắt chế độ vận hành thủ công Giá trị mặc định: False ManualValue IN Real Giá trị quá trình cho hoạt động thủ công Giá trị mặc định: 0,0 Reset IN Bool Tham số Reset khởi động lại bộ điều khiển Giá trị mặc định:

False ScaledInput OUT Real Quy mô giá trị quá trình Giá trị mặc định: 0,0

Output OUT Real Giá trị đầu Giá trị mặc định: 0,0