Đề tài Nghiên cứu giám sát và điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng PLC Panasonic kết hợp biến tần dùng phương pháp PWM (Phần 1)

Nội dung text: Đề tài Nghiên cứu giám sát và điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng PLC Panasonic kết hợp biến tần dùng phương pháp PWM (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP SINH VIÊN Nghiên cứu giám sát và điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng PLC Panasonic kết hợp biến tần dùng phương pháp PWM MÃ SỐ: SV 2010 - 97 S K C 0 0 3 1 8 0 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2011
2. MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG 2 DANH MỤC HÌNH 2 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 3 CHƢƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ 4 1.1 Lý do chọn đề tài 4 1.2 Đối tượng nghiên cứu 4 1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 4 1.4 Những vấn đề còn tồn tại 5 CHƢƠNG II: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 6 2.1 Mục đích đề tài 6 2.2 Phương pháp nghiên cứu 6 2.3 Nội dung thực hiện 6 2.3.1 Sơ đồ khối hệ thống 6 2.3.2 Phần mềm PC way 7 2.3.3 Màn hình cảm ứng công nghiệp (GT32) 8 2.3.4 Phần mềm GTWIN 9 2.3.5 PLC Panasonic FPX-C30T 10 2.3.6 Phần mềm FPWIN 17 2.3.7 Biến tần VF0 18 2.3.8 Động cơ 3 pha 20 2.3.9 Encoder 20 2.4 Giải thích quy trình hoạt động của hệ thống 22 2.5 Một số hình ảnh thực tế 23 2.6 Kết quả đạt được 26 CHƢƠNG III: KẾT LUẬN 27 3.1 Kết luận 27 3.2 Kiến nghị 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO 28
3. Nghiên cứu khoa học Danh mục bảng và hình DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Bảng chức năng các chân của biến tần VF0 19 Bảng 2.2: Bảng chức năng các thông số điều khiển trong P08 19 Bảng 2.3: Bảng thông số điều khiển trong P09 20 Bảng 2.4: Bảng các thông số điều khiển trong P22 20 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Sơ đồ khối của hệ thống 7 Hình 2.2: Hình dáng của GT32 8 Hình 2.3: Các chế độ hoạt động của công tắc 8 Hình 2.4: Giao diện của GTwin 9 Hình 2.5: Bộ điều khiển lập trình PLC FP-X CT30 10 Hình 2.6: Các đặc tính của bộ đếm tốc độ cao 11 Hình 2.7: Các chế độ đọc xung của bộ HSC 12 Hình 2.8: Cấu trúc của thanh ghi DT90052 12 Hình 2.9: Các kênh tương ứng với các ngõ ra và cờ điều khiển 13 Hình 2.10: Bảng hệ số các loại chu kỳ trong điều chế độ rộng xung 14 Hình 2.11: Các thông số thiết đặt của PID 15 Hình 2.12: Các phương thức truyền thông 15 Hình 2.13: Cấu trúc chương trình ngắt trong PLC Panasonic 16 Hình 2.14: Word điều khiển chế độ ngắt trong PLC Panasonic 16 Hình 2.15: Giao diện của Fpwin GR 17 Hình 2.16: Lưu đồ chương trình 17 Hình 2.17: Sơ đồ nối đây của biến tần VF0 18 Hình 2.18: Sơ đồ chức năng các chân trong biến tần VF0 18 Hình 2.19: Sơ đồ nguyên lý của encoder 21 Hình 2.20: Đĩa và dạng sóng ra của encoder tuyệt đối 22 Hình 2.21: Đĩa và dạng sóng ra của encoder tương đối 22 Hình 2.22: Tổng quan hệ thống 23 Hình 2.23: PLC FPX-C30T 23 Hình 2.24: Biến tần VF0 24 Hình 2.25: Giao diện điều khiển từ GT32 24 Hình 2.26: Đáp ứng quá độ của tốc độ động cơ tại tốc độ 1200 rpm 25 Hình 2. 27: Đáp ứng tốc độ động cơ sau khi giảm tốc xuống còn 900 rpm 25 2
4. Nghiên cứu khoa học Danh mục các từ viết tắt DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Config Configuration HMI Human Machine Interface HSC High Speed Counter IC Integrated Cỉrcuit INT Interrupt KĐB Không Đồng Bộ PC Personal Computer PLC Programmable Logic Controller PID Proportional Integral Derivative PWM Pulse Width Modulation SD Secure Digital USB Universal Serial Bus VBA Visual Basic for Applications 3
5. Nghiên cứu khoa học Chương I: Đặt vấn đề CHƢƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Lý do chọn đề tài Trong thời đại hiện nay, đất nước ta đang phát triển theo con đường công nghiệp hóa và hiện đại hóa. Lĩnh vực khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, đặc biệt là ngành tự động hóa ngày càng đóng vai trò hết sức quan trọng trong đời sống con người và ngày càng phát triển theo xu hướng của thời đại. Các xí nghiệp và nhà máy được mở ra ngày càng nhiều, cho nên sự cạnh tranh về thương mại là không thể tránh khỏi. Chính vì vậy, nhu cầu nâng cao tính tự động hóa các dây chuyền để tăng chất lượng sản phẩm được đặt lên hàng đầu. Trong các dây chuyền thì việc đồng bộ hoạt động của động cơ một cách ổn định là điều kiện tiên quyết để nâng cao năng suất của nhà máy. Sau một thời gian học tập và nghiên cứu ở trường, với sự giúp đỡ của các thầy cô trong bộ môn điều khiển tự động, nhóm nghiên cứu đã quyết định chọn đề tài “ nghiên cứu giám sát và điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng PLC Panasonic kết với biến tần dùng phƣơng pháp PWM” để góp một phần nhỏ bé vào lĩnh vực tự động hóa để giải quyết vấn đề nêu trên. 1.2 Đối tƣợng nghiên cứu Các đối tượng nghiên cứu trong đề tài nghiên cứu khoa học này - Màn hình cảm ứng công nghiệp. - PLC panasonic - Biến tần. - Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung PWM. - Truyền thông. 1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc Phương pháp PWM là phương pháp điều khiển tốc độ động cơ phổ biến nhất vì tính đơn giản và hiệu quả.Hiện nay, PWM được các nhà chế tạo tích hợp trên các con IC, PLC rất nhỏ gọn và tiện sử dụng. Phương pháp này dùng để điều khiển nhiều loại động cơ khác nhau: động cơ servo, GVHD: ThS. Trương Đình Nhơn 4
6. Nghiên cứu khoa học Chương I: Đặt vấn đề không đồng bộ ba pha, dc, step motor Đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu khoa học nghiên cứu về phương pháp PWM để ứng dụng phương pháp này vào nhiều lĩnh vực và thiết bị khác nhau. 1.4 Những vấn đề còn tồn tại Độ vọt lố giữa setpoint và tốc độ thực tế lớn trong thời gian xác lập, hệ số Kp lớn khi đặt tốc độ lớn hơn 1000 vòng/phút. Tốc độ đặt trong khoảng 500-900 đường biểu diễn setpoint và thực tế không gần nhau GVHD: ThS. Trương Đình Nhơn 5
7. Nghiên cứu khoa học Chương II: Giải quyết vấn đề CHƢƠNG II: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 2.1 Mục đích đề tài Đề tài nghiên cứu này được thực hiện phải đáp ứng các mục đích như sau: - Sử dụng bộ xử lý PID trong PLC Panasonic sao cho giá trị đã tính toán đạt tối ưu. - Sử dụng kết quả tính toán PID qua bộ PWM trong PLC Panasonic để xuất giá trị ra biến tần điều khiển tốc độ động cơ đúng với tốc độ đặt. - Giám sát được tốc độ động cơ trên màn hình HMI. - Dùng phần PCWAY giám sát và điều khiển động cơ. 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong đề tài này: - Nghiên cứu nền tảng : nghiên cứu về quy luật điều khiển động cơ dựa vào lý thuyết đã học vào thực tiễn. - Nghiên cứu giải thích : giải thích được hoạt động của mô hình nghiên cứu theo phương pháp đã sử dụng. - Phương pháp thu thập dữ liệu từ thực tiễn: thu thập dữ liệu từ mô hình nghiên cứu thực nghiệm so sánh với lý thuyết đã học. - Phương pháp mô tả : mô tả tác nhân gây ra hoạt động của mô hình nghiên cứu. 2.3 Nội dung thực hiện 2.3.1 Sơ đồ khối hệ thống Sơ đồ khối hệ thống điều khiển giám sát tốc độ động cơ không đồng bộ 3 sử dụng PLC Panasonic kết hợp với biến tần theo phương pháp PWM như sau: GVHD: ThS. Trương Đình Nhơn 6
8. Nghiên cứu khoa học Chương II: Giải quyết vấn đề HMI (GT32) Nguồn 1 pha RS485 RS232 PWM PC (PC Way) C PLC FPX-C30T Biến tần VF0 Động cơ KĐB 3pha Encoder Hình 2.1: Sơ đồ khối của hệ thống 2.3.2 Phần mềm PC way PCWAY là một phần mềm thu thập dữ liệu riêng của các PLC Panasonic. Nó được tích hợp và dùng như một macro trong excel nên việc truy nhập và xử lý số liệu được thực hiện rất dễ dàng nhờ các hàm tính toán có sẵn cũng như nhờ việc sử dụng các công cụ khác có trong excel đặc biệt là các công cụ tích hợp có khả năng lập trình trong excel như VBA và MS. PCWAY cho ta khả năng giám sát và điều khiển các bit nhớ trong PLC nhờ đó ta có thể theo dõi và điều khiển các bit nhớ để thực hiện các chức năng như khởi động hay tắt hệ thống, điều khiển các trạng thái của hệ thống. Việc thực hiện điều khiển này đơn giản là việc ta double click lên các cells đã được config để thay đổi trạng thái của nó. PCWAY là một phần mềm thu thập dữ liệu được tích hợp trong excel nên nó cho người sử dụng khả năng rộng lớn trong việc thu thập và quản lý dữ liệu. Dữ liệu được thu thập có thể đơn giản là thu thập theo từng cells bằng cách theo dõi một vùng nhớ nào đó trong PLC hay bằng cách tạo ra một bảng thu thập dữ liệu để dễ dàng và tiệp lợi hơn trong GVHD: ThS. Trương Đình Nhơn 7
9. Nghiên cứu khoa học Chương II: Giải quyết vấn đề việc lưu trữ dữ liệu về các trạng thái và quá trình làm việc của hệ thống để có kế hoạch bảo trì và cải tiến hệ thống nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất. 2.3.3 Màn hình cảm ứng công nghiệp (GT32) HMI GT32 là giao diện giao tiếp giữa người và máy của hãng Panasonic, được thiết kế ở dạng cảm ứng nên rất thuận tiện cho người sử dụng. - Hình dáng của GT32 Hình 2.2: Hình dáng của GT32 - Cấu tạo bên ngoài 1) Màn hình cảm ứng tinh thể lỏng trong suốt: những tính năng được thiết lập hiển thị ở đây. Màn hình cảm ứng được cung cấp bằng loại màn hình tinh thể lỏng. Dữ liệu được đưa vào đơn giản chỉ cần chạm vào màn hình. 2) Thẻ nhớ SD. 3) Khe cắm USB. 4) Khe cắm Ethernet (RG45): cho loại GT32T1. 5) Đèn Speed: thể hiện tốc độ truyền khi sử dụng Enthernet. 6) Đèn LINK / ACT: thể hiện trạng thái giao tiếp với cổng Enthernet cho loại GT32T1. 7) Âm thanh ngõ ra. 8) Đèn truy cập thẻ nhớ SD: đèn sẽ tác động khi truy cập vào thẻ nhớ SD. 9) Pin rời: có thể làm nguồn dự phòng để duy trì đồng hồ, giữ dữ liệu trong bộ nhớ PLC. 10) Chế độ hoạt động dạng công tắc: cho phép mở nguồn cung cấp có khả năng cài đặt để ngăn chặn việc thay đổi hệ thống hoặc có thể xóa F-ROM. Hình 2.3: Các chế độ hoạt động của công tắc GVHD: ThS. Trương Đình Nhơn 8
10. Nghiên cứu khoa học Chương II: Giải quyết vấn đề 11) Vị trí đặt pin. 12) Cổng COM. 13) Vật liệu không thấm nước: đặt phía trước màn hình. - Đặc điểm GT32 có thẻ nhớ và pin nên có thể lưu trữ trong thời gian dài. GT32 có khả năng thu thập dữ liệu và điều khiển được PLC. Liên kết với PLC thông qua cổng RS485. GT32 có thể giao tiếp với máy tính thông qua cổng. 2.3.4 Phần mềm GTWIN GTWIN là phầm mền thiết kế giao diện chuyên dùng cho các màn hình GT của Panasonic. Trong GTWIN có hỗ trợ rất nhiều tính năng cho màn hình GT nhờ các nút nhấn, các đèn báo, bitmap, line graph, bar graph và các nút nhấn chuyển đổi giữa các màn hình nhằm làm cho việc điều khiển và giám sát của màn hình GT được tốt hơn. Hình 2.4: Giao diện của GTwin GVHD: ThS. Trương Đình Nhơn 9
11. Nghiên cứu khoa học Chương II: Giải quyết vấn đề 2.3.5 PLC Panasonic FPX-C30T PLC FPX-C30T trong hệ thống có chức năng đọc tốc độ động cơ đưa về từ encoder kết hợp với giá trị tốc độ đặt từ HMI (hay từ PC) thực hiện xử lý PID xuất tín hiệu PWM, đồng thời thực hiện việc truyền thông với màn hình cảm ứng HMI và PC. PLC FP-X là thiết bị điều khiển khả trình loại nhỏ của hãng Panasonic, có tốc độ quét lên tới 0.32 μs vậy nên với một chương trình khoảng 5kbytes thì thời gian quét là 0.19ms. Nó có cấu trúc theo kiểu modul (có các modul và cassette mở rộng). Các modul và cassette mở rộng dùng cho nhiều ứng dụng khác nhau, dưới đây là các kiểu cassettes  Cassettes: điều khiển vị trí với bộ đếm tốc độ cao và bộ phát xung.  Cassettes: bao gồm các cổng hỗ trợ giao tiếp.  Cassettes: có chức năng đồng hồ thời gian thực. Loại PLC này thích hợp cho các ứng dụng thông thường và các công việc điều khiển vừa phải, có thể lập trình trực tiếp qua cổng USB. PLC này còn có chức năng chống sao chép chương trình và hỗ trợ điều khiển với tín hiệu analog. Hình 2.5: Bộ điều khiển lập trình PLC FP-X CT30 - PLC FP-X có các đặc điểm chính như sau: 32765 vùng nhớ thường (DT0 đến DT32765) được chia làm 2 loại: non-hold type (DT0 đến DT32709) và hold type (DT32710 đến 32756). 374 vùng nhớ đặc biệt (DT90000 đến DT90373) dùng để chứa các dữ liệu đặc biệt, các thiết lập và lỗi. 16 cổng vào và 16 cổng ra logic khi không có module hay cassette mở rộng. 1760 ngõ vào (từ X0 đến X109F). 1760 ngõ ra (từ Y0 đến Y109F). GVHD: ThS. Trương Đình Nhơn 10
12. Nghiên cứu khoa học Chương II: Giải quyết vấn đề 4096 relay nội (từ R0 đến R255F). 2048 link relay (từ L0 đến L127F). 1007 Timer chia thành các loại theo độ phân giải khác nhau: TMX có độ phân giải 0.1s, TMY có độ phân giải 1s, TMR có độ phân giải 0.01s và TML có độ phân giải 0.001s. Có 16 counter: từ CT1008 đến CT1023. Có 8 bộ đếm tốc độ cao khi xử dụng các kênh đơn hay 4 bộ khi sử dụng kênh kép, có khả năng đọc ngõ vào xung. Có 4 bộ phát xung tốc độ cao theo Pulse output hay kiểu PWM output. Có khả năng tạo tín hiệu ngắt theo cạnh hoặc theo xung ở các ngõ vào. - Phân loại Theo cấu tạo của các đầu vào ra mà ta chia thành 2 loại: Đầu vào ra dạng relay (gồm các dòng C14R, C30R và C60R) Đầu vào ra dạng transistor (gồm các dòng C30T, C30P, C60P) Các chức năng đặc biệt: - Bộ đếm xung tốc độ cao HSC Sử dụng các ngõ vào X0 đến X7 Hình 2.6: Các đặc tính của bộ đếm tốc độ cao GVHD: ThS. Trương Đình Nhơn 11
13. Nghiên cứu khoa học Chương II: Giải quyết vấn đề PLC Panasonic có rất nhiều chế độ đọc xung, nó có thể đọc xung ngõ vào theo chế độ từng kênh riêng lẻ hay kết hợp hai kênh để phát hiện chiều quay. Chi tiết được mô tả ở hình dưới. Hình 2.7: Các chế độ đọc xung của bộ HSC Sử dụng thanh ghi đặc biệt DT90052 Hình 2.8: Cấu trúc của thanh ghi DT90052 GVHD: ThS. Trương Đình Nhơn 12