Báo cáo: Đo và điều khiển tốc độ động cơ dùng PLC S7 1200

Trong thực tế sản xuất gia công chế tạo cũng như để tạo ra sản phẩm cho mọi nghành nghề. Như ta đã biết để tạo ra mỗi sản phẩm, mỗi chi tiết đều phải qua nhiều công đoạn mà trong mỗi công đoạn lại có những tốc độ phù hợp để có năng suất và chất lượng sản phẩm thực sự tốt. Chính vì vậy mà việc đo và điều chỉnh tốc độ của động cơ điện là một yếu tố rất quan trọng trong phương thức sản xuất dây chuyền.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

1.1 Khái quát chung về mô hình đo và điều khiển tốc độ động cơ

Trong thực tế sản xuất gia công chế tạo cũng như để tạo ra sản phẩm cho mọi nghành nghề Như ta đã biết để tạo ra mỗi sản phẩm, mỗi chi tiết đều phải qua nhiều công đoạn mà trong mỗi công đoạn lại có những tốc độ phù hợp để có năng suất và chất lượng sản phẩm thực sự tốt Chính vì vậy mà việc đo và điều chỉnh tốc độ của động cơ điện là một yếu tố rất quan trọng trong phương thức sản xuất dây chuyền

Dưới đây là sơ đồ khối của một hệ thống đo và điều chỉnh tốc độ động cơ thông dụng:

Hình 1.1: Cấu trúc của

một hệ đo và điều chỉnh tốc

độ động cơ

- Máy tính : Trung tâm

điều phối , thực hiện

công việc xử lý dữ liệu

và điều khiển ở mức

cao với chế độ thời

gian thực mềm, cung

cấp giao diện người

dùng trực quan để giám

sát hệ thống

- PLC ( Programable

Logic Controller ) : Là

thiết bị điều khiển logic lập trình được , PLC hân thông tin từ các cảm biến và

xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định đồng thời truyền đạt lại kết quả xuống cơ cấu chấp hành PLC cũng cung cấp thông tin đến trung tâm điều phối

- Biến tần: Thiết bị điều khiển và ổn định tốc độ động cơ

- Cảm biến đo tốc độ : Thiết bị sử dụng để đo tốc độ , được gắn vào trục động cơ Cảm biến có đầu ra dạng điện áp hoặc xung tần số điện áp

1.2 Một số phương pháp đo tốc độ động cơ

Tốc độ đông cơ có thứ nguyên là số vòng / phút nó là một đại lượng vật lý không mang đặc trúng của đại lượng điện vậy để đo được tốc độ quay của mọi động cơ nói chung cũng như động cơ điện nói riêng người ta phải biến đổi nó ra một đại lượng khác để phù hợp và tiện lợi đồng thời đáp ứng được độ chính xác theo yêu cầu của công việc

Trong quá khứ việc ứng dụng của cơ học và quang học đã giúp ích cho kỹ thuật đo lường Với tốc độ phát triển ngày một hoàn thiện hơn của ngành điện kể cả về lý thuyết và những công nghệ cao trong kỹ thuật điện tử, thì điện tử đã góp sức rất nhiều trong sự phát triển cho thiết bị đo lường Các đại lượng điện và không điện được cảm biến đo lường chuyển đổi sang một dạng tín hiệu chuẩn Các tín hiệu này được các mạch điện tử chế biến cho phù hợp với mạch đo và đưa đến bộ phận xử lý để tính toán, đưa ra kết quả Trước khi xét về hệ thống đo lường điện tử ta đề cập đến một tốc độ

kế đơn giản

1.2.1 Tốc độ kế cầm tay

Tốc độ kế cầm tay sử dụng để đo tốc độ không yêu cầu độ chính xác cao, nó có

nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, có cấu tạo đơn giản và dễ

sử dụng

Cấu tạo:

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của một thiết bị đo tốc độ vòng quay loại đơn giản bao gồm: 1- Nam châm vĩnh cửu có thể quay trơn tự do và được nối với trục của động cơ cần kiểm tra qua một trục dẫn mềm hoặc một đầu tỳ kiểu con tu

2- Đĩa nhôm

3- Kim chỉ thị

4- Lò xo cản

5- Trục được gá trên bộ ổ đỡ có thể quay trơn trượt các phần tử 2,3,4,5 được gắn chặt với nhau

Nguyên lý hoạt động:

Khi nam châm vĩnh cửu (1) quay làm cho từ trường mà nó tạo ra cũng quay theo và quét lên đĩa nhôm (2) như vậy đĩa nhôm (2) khi đó có một từ trường biến đổi Tốc độ quay của từ trường chính là tốc độ mà nam châm (1) quay hay chính là tốc độ quay của đại lượng cần kiểm tra Trên đĩa nhôm (2) xuất hiện dòng cảm ứng dòng điện này tác dụng với từ trường của nam châm (1) và tạo ra một momem điện từ Momen này làm cho đĩa nhôm (2) quay theo chiều quay của nam châm (1) Độ lớn momem này hoàn toàn tỷ lệ với tốc độ quay của nam châm (1)

Khi đĩa nhôm quay làm trục quay (5) quay theo

Khi trục quay (5) quay làm kim chỉ thị cũng quay theo Trên khắc độ của chỉ báo được chia theo sao cho phù hợp với giá trị tốc độ của động cơ

Khi trục (5) quay đồng thời nó cũng làm cho lò xo (4) cũng quay theo nên nó đã tạo ra một momem cản: Độ lớn của momen cản này tỷ lệ với góc xoay của trục (5) còn chiều thì momen cản này có chiều ngược với chiều của momen điện từ do đĩa nhôm (2) tạo ra

Vậy đĩa nhôm sẽ dừng tại vị trí mà M điện từ = M cản

Nhận xét :

Ưu điểm:

- Cấu tạo đơn giản , gọn nhẹ , chủ yếu là cơ khí

- Không tiêu hao năng lượng

- Kết cấu chắc chắn, độ tin cậy cao

Nhược điểm:

- Cấp chính xác thấp

- Không lấy ra được tín hiệu để khống chế và điều khiển

Phạm vi ứng dụng :

- Vì thiết bị không tiêu hao năng lượng nên nó rất tiện lợi dùng để kiểm tra những tốc độ của những thiết bị như : ô tô , xe máy để tốc độ xe chạy hoặc báo tốc độ quay của máy

- Mặt khác người ta có thể chế tạo một cách hợp lý về kết cấu để làm tốc độ kế

để kiểm tra tốc độ quay của những thiết bị đơn lẻ

1.2.2 Máy phát tốc một chiều

Máy phát tốc một chiều được ứng dụng để đo tốc độ động cơ, vào những thời kì đầu của cách mạng công nghiệp hóa nó được sử dụng khá phổ biến Sau đây chúng ta sẽ đi sâu vào cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy phát tốc một chiều :

Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo của máy phát tốc một chiều Cấu tạo:

Máy phát tốc một chiều có cấu tạo giống với máy điện một chiều chỉ khác là phần kích từ là nam châm vĩnh cửu:

1- Stato ( Phần cảm ) : Là môt nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu

2- Rota ( Phần ững ) : Là một trục sắt gồm nhiều lớp ghép lại; trên bề mặt ngoài

Roto xẻ các rãnh song song với trục quay và cách đều nhau Trong các rãnh đặt các dây bằng đồng gọi là dây chính , các dây chính được nối với nhau từng đôi một bằng các dây phụ

3- Cổ góp: Là một hình trụ trên mặt có gắp các lá đồng cách điện với nhau, mỗi lá

nối với một dây chính của roto

4- Chổi quét: Hai chổi quét ép sát vào cổ góp được bố trí sao cho tại một thời điểm

chúng luôn tiếp xúc với hai lá đồng đối diện nhau

Nguyên lý hoạt động:

Máy phát tốc một chiều có nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện

từ Khi có chuyển động tương đối giữa phần cảm và phần ứng, từ thông đi qua phần ứng biến thiên và trong nó xuất hiện suất điện động cảm ứng Suất điện động này tỉ lệ với vận tốc cần đo

Nhận xét

Đo tốc độ động cơ sử dụng máy phát tốc một chiều nhược điểm là độ chính xác thấp, lại đòi hỏi kèm theo bộ chuyển đổi tương tự - số hóa tín hiệu đo nên phương pháp này không được ưa dùng Hiện nay phương pháp này đã dần đi vào dĩ vãng, thay vào đó là những bộ đếm tốc độ kế mã hóa vòng quay: Encoder

1.2.3 Bộ mã hóa vòng quay Encoder

Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ,hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc

Encoder được chia làm 2 loại: absolue encoder ( encoder tuyệt đối ) và

incremental ( encoder tương đối ) Đối với loại encoder tuyệt đối thì tín hiệu ta nhận được, chỉ rõ rằng vị trí encoder, chúng ta không cần xử lý gì thêm cũng biết chính xác

vị trí của encoder Còn đối với encoder tương đối thì loại này chỉ có 1,2 hoặc 3 vùng

lỗ Ta có thể hình dung như thế này, nếu bây giờ ta đục thêm một lỗ trên một cái đĩa quay thì cứ mỗi lần quay được một vòng sẽ nhận được tín hiệu và ta biết được đĩa quay được 1 vòng Nếu bây giờ trên đĩa đó có nhiều lỗ hơn thì ta sẽ có được những thống tin chi tiết hơn, có nghĩa là đĩa quay ¼ vòng , 1/8 vòng hay 1/n vòng tùy theo số

lỗ nằm trên encoder

Cấu tạo :

Hình 1.4 Cấu tạo của Encoder

Encoder gồm 3 thành phần chính :

1 Đĩa khắc mã vạch : Là một đĩa tròn thường được làm bằng nhôm trên đia có các rãnh nhỏ

2 Bộ thu phát hồng ngoại :Là một cặp LED thu phát hồng ngoài đặt đối xứng nhau qua đĩa quay, có tác dụng tạo ra xung khi đĩa quay

3 Bộ giải mã : Là mạch điện tử có vai trò tiếp nhận xung điện từ từ LED thu hồng ngoài và mã hó thành dạng xung chuẩn ở đầu ra

Nguyên lý hoạt động :

Nguyên lý cơ bản của Encoder đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục, trên đĩa có các lỗ Người ta dùng một đèn LED để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗ không có

lỗ ( rãnh ) đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ ( rãnh ) đèn led sẽ chiếu xuyên qua được Khi đó , phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một mắt thu Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất,

cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng Tuy nhiên, những vấn đề được đặt ra là , làm sao để xác định chính xác hơn

vị trí của đĩa quay ( mịn hợn ) và làm thế nào để xác định được đĩa đang quay theo chiều nào ? Đó chính là vấn đề để chúng ta tìm hiểu về hai loại Encoder tương đối và tuyệt đối

Encoder tuyệt đối :

Vấn đề chúng ta sẽ quan tâm ở đây chính là độ mịn của encoder, có nghĩa là làm thế nào biết địa đã quay ½ vòng, ¼ vòng, 1/8 vòng hay 1/n vòng, chứ không phải chỉ biết đĩa đã quay được một vòng

Quay lại bài toán cơ bản về bit và số bit Chúng ta xem xét vấn đề theo một cách hoàn toàn toán học như sau :

Với một số nhị phân có 2 chữ số, chúng ta sẽ có 00,01,10,11, tức là có 4 trạng thái Điều đó có nghĩa là với 2 chữ số, chúng ta có thể chia đĩa encoder thành 4 phần bằng nhau Và khi quay, chúng ta sẽ xác định được độ chính xác đến ¼ vòng

Tương tự như vậy nếu với một số có n chữ số, chúng ta sẽ xác định được độ chính xác đến 1/2x vòng Để rõ hơn ta xét hình sau :

Hình 1.5 Đĩa Encoder có 2 vòng và Encoder có 8 vòng đĩa

Ở hình trên ta thấy rằng ở vòng trong cùng, có một rãnh rộng bằng ½ đĩa Vòng phía ngoài sẽ có 2 rãnh nằm đối diện nhau Như vậy chúng ta cần 2 LED hồng ngoại

để phát xuyên qua hai lỗ và hai LED thu

Giả sử ở vòng lỗ thử nhất, đèn đọc đang nằm ở hai vị trí có lỗ hở thì tín hiệu nhận được từ LED thu sẽ là 1 Và vòng lỗ thứ hai, thì chúng ta đang ở vị trí không có lỗ, như vậy con mắt thu vòng 2 sẽ đọc được giá trị là 0 Như vây với đĩa có 10 vòng , chúng ta xác định được encoder đang nằm ở góc phần tư nào, cũng có nghĩa là chúng

ta quản lý được độ chính xác của đĩa quay đến ¼ vòng Trong ví dụ trên, nếu đèn LED đọc được 10 thì vị trí của LED phải nằm trong góc phần tư thứ 2, phía trên bên trái Kết quả, nếu đĩa Encoder có đến 10 vòng lỗ thì chúng ta sẽ quản lý được đến 1/(2^10) tức là đến 1/1024 vòng Hay người ta nói là độ phân giải của encoder là 1024 xung trên vòng

Encoder tương đối:

Nhận thấy một điều rằng, encoder tuyệt đối rất có lợi trong những trường hợp khi góc quay là nhỏ, và động cơ không quay nhiều vòng Khi đó, việc xử lý ecoder tuyệt đối trở nên dễ dàng cho người dùng hơn vì chỉ cần đọc giá trị là chúng ta biết ngay được vị trí góc của trục quay Tuy nhiên, nếu động cơ quay nhanh và nhiều vòng, điều này không có lợi bởi vì khi đó chúng ta phải xử lý để đếm số vòng quay của trục Ngoài ra, nếu thiết kế encoder tuyệt đối chúng ra cần quá nhiều vòng lỗ, dẫn tới giới hạn về kích thước của encoder, bởi vì việc gia công chính xác các lỗ quá nhỏ là không thể thực hiện được Chưa kể việc thiết kế một dãy LED thu phát cũng ảnh hưởng rất lớn đến kích thước

Hoạt động của encoder tương đôi bằng cách tăng lên một đơn vị khi một lần xuất hiện cạnh lên của xung

Hình 1.6 : Encoder tương đối

Ta thấy cứ mỗi lần quay qua một lỗ, thì encoder sẽ tăng một đơn vị trong biến đếm Tuy nhiên, vấn đề là làm sao để biết được encoder quay hết 1 vòng Nếu cứ đếm

vô hạn như thế này thì chúng ta không thể biết được khi nào nó quay hết 1 vòng Để giải quyết vấn đề này, ta đưa thêm 1 lỗ định vị để đếm số vòng đã quay của encoder Như vậy, cho dù có lệch xung mà chúng ta vẫn thấy rằng encoder đi ngang qua lỗ định

vị này thì chúng ta vẫn biết là encoder đã bị đếm sai ở đâu Nếu vì một rung động nào

đó mà chúng ta không thấy encoder qua lỗ định vị, vậy thì từ số xung, và việc đi qua lỗ định vị, chúng ta sẽ biết rõ hiện tượng sai của encoder

Hình 1.7 : Encoder có lỗ định vị

Tuy nhiên, một vấn đề lớn nữa là xác định chiều quay của encoder Bởi vì cho dù quay theo chiều nào thì tín hiệu encoder cũng chỉ là các xung đơn lẻ và quay theo hai chiều thì đều giống nhau Chính vì thế người ta đặt thêm một vòng lỗ nữa như hình sau:

Hình 1.8: Encoder có 2 vòng lỗ đặt lệch nhau

Nhận xét

Bộ mã hóa vòng quay Encoder có nhiều ưu điểm vượt trội hơn nhiều so vơi loại tốc

độ kế khác Ví dụ như:

- Đầu ra dạng xung nên trong các hệ thống điều khiển số không cần bộ chuyển đổi ADC

- Dễ dàng lắp đặt sử dụng, dễ đọc tín hiệu

- Giữ được giá trị góc khi mất điện đối với encoder tuyệt đối…

Vì thế hiện nay encoder được sử dụng rộng dãi trong các nhà máy, xí nghiệp phục vụ sản xuất

1.3 Tổng kết chương

Ở chương 1, nhóm thực hiện liệt kê và phân tích một số phương pháp đo tốc độ thường được ứng dụng trên thực tế

Có rất nhiều cách để đo tốc độ, qua tìm hiểu và phân tích ta thấy rằng phương pháp

đo tốc độ động cơ sử dụng bộ mã hóa vòng quay encoder có nhiều ưu điểm, phù hợp với những ứng dụng đồi hỏi có độ chính xác cao Ở chương 2 ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu những thiết bị cần thiết để tạo ra một hệ đo và điều khiển tốc độ động cơ, đồng thời thiết kế phần mềm điều khiển và đo lường cho hệ thống

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐO LƯỜNG CHO

HỆ THỐNG.

2.1 Giới thiệu về PLC Simatic s7-1200

2.1.1 Tổng quan về PLC S7-1200

PLC ( Programmable Logic Controller ) là thiết bị điều khiển lập trình được cho phép thực hiện linh hoạt các thực toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động

có trễ như thời gian định kì hay thời gian được đếm Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF các thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật

lý Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục lặp trong chương trình do người sử dụng lập

ra chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dung dây nối, người ta đã chế tao bộ điều khiển plc nhẳm thoả mãn các yêu cẩu sau:

+ Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học

+ Gọn nhẹ, dễ bảo quản, sửa chữa

+ Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp

+ Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

+ Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như máy tính, nối mạng, các module mở rộng

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay cho các phần cứng Relay dây nối và các logic thời gian Tuy nhiên bên canh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàng cho PLC mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lí cũng như giá cả…

Chính điều này đã tạo ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp, các tập lệnh nhanh chống đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch…Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn, số lượng I/O nhiều hơn

Trong PLC phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển và sử lí hệ thống, chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bằng một chương trình Chương trình này sẽ được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC

sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng cửa quy trình công nghệ Ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dễ dàng mà không cần một sự can thiệp vật lí nào so với các bộ dây nối hay Relay

Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7-200

So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội:

-S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh làm cho chúng 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, các đầu vào/ra (DI/DO)

-Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều 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 ra bạn có thể dùng các module truyền thong mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc RS232