Tài liệu: Sử dụng plc s7 1200 điều chỉnh tốc độ động cơ kđb

Chuyên khảo phân tích Sử dụng plc s7 1200 điều chỉnh tốc độ động cơ kđb, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Nguyễn Quang Nhất
• Người hướng dẫn: ThS. Trần Thị Hồng Thắm
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu, ứng dụng Bộ điều khiển PLC S7-1200 - Siemens xây dựng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha

Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha là một giải pháp công nghiệp quan trọng trong tự động hóa hiện đại. PLC S7-1200 của Siemens đã trở thành bộ điều khiển lý tưởng để xây dựng các hệ thống này với hiệu suất cao và độ tin cậy vượt trội. Công nghệ điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng biến tần và các module điều khiển tích hợp, giúp tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ lên đến 30-40%. Ứng dụng thực tế bao gồm các động cơ có công suất từ 2,2KW trở lên, với tốc độ định mức 1450 vòng/phút. Hệ thống này hoạt động ở mức điện áp 380/220V ba pha, phù hợp với cơ sở hạ tầng điện lực tiêu chuẩn tại Việt Nam. Kết hợp lập trình PLC với thuật toán PID, hệ thống có khả năng điều chỉnh tốc độ một cách mềm mại, đảm bảo an toàn và hiệu quả.

1.1. Sơ Đồ Khối Hệ Thống Điều Chỉnh Tốc Độ

Sơ đồ khối của hệ thống bao gồm các thành phần chính: bộ điều khiển PLC S7-1200, module truyền thông, biến tần (Frequency Inverter), động cơ không đồng bộ ba pha, và các cảm biến phản hồi như Encoder. Mỗi thành phần đóng vai trò riêng trong việc thu thập tín hiệu, xử lý dữ liệu, và điều khiển hoạt động của động cơ. Quy trình hoạt động diễn ra theo vòng kín, với phản hồi tốc độ thực tế liên tục được so sánh với tốc độ mong muốn để điều chỉnh.

1.2. Cấu Trúc Hệ PLC Biến Tần Động Cơ

Cấu trúc này là nền tảng của hệ thống điều khiển hiện đại. PLC S7-1200 xử lý tín hiệu từ cảm biến và gửi lệnh tới biến tần thông qua giao thức truyền thông. Biến tần điều chỉnh tần số cung cấp cho động cơ, từ đó kiểm soát tốc độ quay. Hệ thống này giảm tác động cơ học lên động cơ, kéo dài tuổi thọ thiết bị và tiết kiệm điện năng đáng kể.

II. Giới Thiệu Chi Tiết Về PLC S7 1200 Và Tính Năng

PLC S7-1200 là dòng bộ điều khiển lập trình cao cấp của Siemens, được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng công nghiệp từ nhỏ đến vừa. Thiết bị này sở hữu kiến trúc module linh hoạt, cho phép người dùng mở rộng chức năng bằng cách thêm các module bổ sung. Phần mềm TIA Portal là công cụ lập trình chính, hỗ trợ nhiều ngôn ngữ như LAD (Ladder Logic) và FBD (Function Block Diagram), giúp lập trình viên có thể lựa chọn phương thức phù hợp nhất. Tốc độ xử lý nhanh của CPU, khả năng kết nối mạng thông qua Ethernet, và giao diện người dùng thân thiện là những ưu điểm nổi bật. Với bộ nhớ đủ lớn để chứa các chương trình phức tạp, S7-1200 hoàn toàn đáp ứng yêu cầu điều chỉnh tốc độ động cơ có nhiều tham số điều khiển.

2.1. Module CPU Và Các Module Mở Rộng

CPU là trái tim của hệ thống PLC, chịu trách nhiệm xử lý các lệnh và quản lý tín hiệu vào/ra. Module mở rộng tín hiệu (Signal Module) cung cấp các đầu vào số kỹ thuật số và đầu ra analog để kết nối với biến tần. Các module truyền thông cho phép PLC giao tiếp với các thiết bị khác qua Profibus, Ethernet hoặc các giao thức chuẩn công nghiệp.

2.2. Phần Mềm TIA Portal Và Lập Trình

TIA Portal cung cấp môi trường lập trình tích hợp toàn bộ từ thiết kế đến chạy thử. Người dùng có thể viết chương trình bằng sơ đồ tiếp điểm (LAD) hoặc sơ đồ khối (FBD). Tính năng gỡ lỗi trực tuyến và mô phỏng giúp kiểm tra chương trình trước khi triển khai trên thiết bị thực.

III. Tính Chọn Thiết Bị Và Thiết Kế Mạch Điều Khiển

Việc tính chọn thiết bị đúng là yếu tố then chốt để hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả. Động cơ không đồng bộ ba pha có công suất 2,2KW với tốc độ 1450 vòng/phút cần phải được kết hợp với biến tần phù hợp để điều chỉnh tốc độ mượt mà. Encoder phản hồi được lắp trên trục động cơ để cung cấp thông tin tốc độ thực tế cho PLC. Relay trung gian và các thiết bị điều khiển liên động hỗ trợ quá trình khởi động an toàn. Mạch điều khiển phải được thiết kế tuân thủ tiêu chuẩn an toàn điện, với các khâu bảo vệ quá dòng, ngắn mạch, và quá tải. Lưu đồ thuật toán mô tả chi tiết quy trình hoạt động từ khởi tạo hệ thống đến điều khiển tốc độ, đảm bảo logic rõ ràng và dễ bảo trì.

3.1. Tính Chọn Các Thiết Bị Chính

PLC điều khiển phải có đủ đầu vào/ra và khả năng xử lý nhanh. Biến tần cần công suất định mức tương ứng với động cơ (ít nhất 2,5kW). Encoder được chọn dựa trên độ phân giải cần thiết, thường từ 500-1000 xung/vòng. Relay trung gian chuẩn 24VDC giúp cách ly tín hiệu điều khiển từ tín hiệu công suất.

3.2. Lưu Đồ Và Chương Trình Điều Khiển

Lưu đồ thuật toán bao gồm chương trình chính xử lý vòng điều khiển và các chương trình con chuyên biệt. Thuật toán PID được cấu hình để tính toán độ lệch giữa tốc độ mong muốn và thực tế, sau đó điều chỉnh tần số biến tần. Quy trình này lặp đi lặp lại với tần suất cao để đạt tốc độ ổn định.

IV. Mô Phỏng Hệ Thống Và Kết Quả Đạt Được

Mô phỏng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng phần mềm TIA Portal là bước quan trọng để xác minh tính đúng đắn của chương trình trước khi triển khai thực tế. Mô phỏng cho phép kiểm tra các tình huống khác nhau như khởi động, tăng tốc, giảm tốc, và dừng động cơ mà không cần thiết bị thực. Kết quả đạt được cho thấy hệ thống có khả năng điều chỉnh tốc độ trong phạm vi 0-1450 vòng/phút với độ sai số dưới 2%. Thời gian đáp ứng của hệ thống khoảng 200ms, đủ nhanh cho hầu hết ứng dụng công nghiệp. Hiệu suất năng lượng được cải thiện đáng kể so với phương pháp điều khiển truyền thống sử dụng các cuộn solenoide. Hệ thống cũng thể hiện độ ổn định cao khi chịu các biến động tải và biến thiên điện áp cấp. Việc ghi nhận dữ liệu qua WinCC cho phép người vận hành theo dõi hoạt động và lưu trữ lịch sử hoạt động cho mục đích bảo trì dự phòng.

4.1. Quy Trình Mô Phỏng Và Kiểm Chứng

Mô phỏng hệ thống bao gồm kiểm tra logic chương trình, xác thực các tính toán PID, và mô phỏng phản ứng động cơ. Các tình huống kiểm tra bao gồm khởi động mền, tăng tốc gradual, và dừng an toàn. WinCC cung cấp giao diện quan sát thị tế để theo dõi tốc độ, dòng điện, và các tham số khác trong quá trình mô phỏng.

4.2. Các Chỉ Số Hiệu Suất Và Kết Luận

Kết quả cho thấy độ chính xác điều khiển đạt 98%, với sai số tốc độ tối đa 29 vòng/phút. Tiết kiệm năng lượng đạt 35-40% so với phương pháp cũ. Hệ thống hoạt động ổn định trong điều kiện tải biến thiên và nhiệt độ môi trường khác nhau. Đề án này chứng minh PLC S7-1200 hoàn toàn khả thi cho các ứng dụng điều chỉnh tốc độ động cơ trong ngành công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Trước kia, khi khoa học kỹ thuật chưa thực sự phát triển thì vấn đề điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha gặp rất nhiều khó khăn, phạm vi ứng dụng điều chỉnh hẹp, chủ yếu sử dụng động cơ một chiều có đặc tính điều chỉnh đơn giản. Tuy nhiên với kỹ thuật công nghệ hiện nay, việc điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ đã trở lên dễ dàng hơn rất nhiều. Với các ưu điểm như: dễ vận hành, làm việc liên tục và dài hạn, đấu nối trực tiếp với nguồn 3 pha,. động cơ không đồng bộ 3 pha ngày càng được sử dụng rộng rãi.

Động cơ không đồng bộ 3 pha có cấu trúc phức tạp nên ta thấy có rất nhiều tham số cần điều chỉnh khiến cho bài toán điều khiển khó khăn trong việc điều khiển độc lập các tham số này cũng như việc xây dựng mô hình điều khiển .Có rất nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ, một trong số đó là phương pháp điều chỉnh tần số. Muốn điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số ta phải có một bộ nguồn xoay chiều có thể điều chỉnh tần số điện áp một cách đồng thời thông qua một biến tần. Để tạo ra các bộ biến tần có U và f thay đổi được người ta đã thiết kế ra nhiều loại biến tần nhưng trong đồ án này ta chỉ xét đến bộ biến tần nguồn áp làm việc theo cơ chế phản hồi vòng điều khiển PID (PID- Proportional Integral Derivative). Bộ biến tần này đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh, đồng thời nó còn tạo ra được điện áp và dòng điện gần giống hình sin.

Đây là phương pháp điều chỉnh triệt để cho phép thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số.Trong các hệ điều khiển chúng ta thường gặp PLC điều khiển tốc độ động cơ thông qua biến tần.2 Hệ thống sử dụng PLC điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB 3pha Điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua biến tần được điều khiển bởi PLC là hệ thống giúp chúng ta có thể điều chỉnh tốc độ động cơ 1 cách dễ dàng, có thể quan sát và điều chỉnh tốc độ động cơ từ xa thông qua màn hình HMI.1 Sơ đồ khối của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB 3P Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB Trong đó: - Màn hình giao diện giữa người và máy: có nhiệm vụ giám sát quá trình làm việc của hệ thống - Bộ điều khiển PLC: gồm khối xử lí trung tâm, bộ nhớ, các đầu vào ra dùng để thực thi chương trình điều khiển. - Biến tần: có nhiệm vụ dung để điều chỉnh tốc động cơ KĐB, nó được nối với PLC 9 -Động cơ KĐB: động cơ truyền động -Encoder: là thiết bị dùng để đo tốc độ động cơ và truyền tín hiệu phản hồi về PLC 1.2 Thuật toán điều khiển PID Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) là bộ điều khiển sử dụng kỹ thuật điều khiển theo vòng lặp có hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động. Một bộ điều khiển PID cố gắng hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu ngõ ra và ngõ vào sau đó đưa ra một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp. Chúng ta coi hệ thống được thiết kế hồi tiếp âm đơn vị có sơ đồ khối như sau: Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng kín Bộ điều khiển PID là một cơ chế điều khiển lặp hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển công nghiệp do dễ sử dụng.

Một bộ điều khiển PID điều chỉnh giữa giá trị biến đo được và giá trị mong muốn đạt được bằng cách tính toán và xuất ra một "tín hiệu điều chỉnh" nhanh chóng để giữ cho sai lệch ở mức nhỏ nhất có thể được. 10 Bộ điều khiển PID gồm 3 thông số riêng: Tỷ lệ, Tích phân và Vi phân.3: Sơ đồ khối bộ điều chỉnh PID Thành phần tỉ lệ (Kp) có tác dụng làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ, và làm giảm, chứ không triệt tiêu sai số xác lập của hệ (steady-state error). Thành phần tích phân (Ki) có tác dụng triệt tiêu sai số xác lập nhưng có thể làm giảm tốc độ đáp ứng của hệ. Thành phần vi phân (Kd) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm độ vọt lố và cải thiện tốc độ đáp ứng của hệ.

Như vậy, từ ba thành phần (tỉ lệ, tích phân, vi phân), có thể xây dựng thêm các bộ điều khiển khác như bộ điều khiển P, bộ điều khiển PI, bộ điều khiển PD, tùy vào đối tượng tác động cụ thể mà ta sử dụng các bộ điều khiển cho thích hợp. ở đây chỉ nghiên cứu sâu về bộ điều khiển PID. Xét ảnh hưởng của các thành phần Kp, Ki, Kd đối với hệ kín được tóm tắt trong bảng sau: 11 Bảng 1.1: Ảnh hưởng của Kp, Ki, Kd đối với hệ kín Thành Thời Độ quá Thời ổn định ở phần gian điều gian trạng thái đáp ứng chỉnh quá độ xác lập KP Giảm Tăng Thay Giảm đổi ít KI Giảm Tăng Tăng Bị loại bỏ KD Thay Giảm Giảm Thay đổi ít đổi ít Hình 1.4: Đặc tính đáp ứng đầu ra của bộ điều khiển Lưu ý rằng quan hệ này không phải chính xác tuyệt đối vì Kp, Ki và Kd còn phụ thuộc vào nhau. Trên thực tế, thay đổi một thành phần có thể ảnh hưởng đến hai thành phần còn lại.

Vì vậy bảng trên chỉ có tác dụng tham khảo khi chọn Kp, Ki, Kd. Bộ điều khiển 3 thành phần: Hàm truyền của bộ điều khiển PID có dạng: 𝑲𝑰 𝑲𝑫 𝒔 𝟐 + 𝑲𝑷 𝒔 + 𝑲𝑰 𝑲𝑷 + + 𝑲𝑫 = (𝟏. 𝟏) 𝒔 𝒔 12 Trong đó: Kp = hệ số tỉ lệ; Ki = hệ số tích phân; Kd = hệ số vi phân; Trước hết ta khảo sát bộ PID làm việc thế nào trong hệ kín có sơ đồ khối như trên. Biến e là thành phần sai lệch, là hiệu giữa giá trị tín hiệu vào mong muốn và tín hiệu ra thực tế.

Tín hiệu sai lệch (e) sẽ đưa tới bộ PID, và bộ điều khiển tính toán cả thành phần tích phân lẫn vi phân của (e). Tín hiệu ra (u) của bộ điều khiển bằng: 𝒅𝒆 𝒖 = 𝑲𝑷 𝒆 + 𝑲𝑰 ∫ 𝒆𝒅𝒕 + 𝑲𝑫 (𝟏. 𝟐) 𝒅𝒕 Lúc này đối tượng điều khiển có tín hiệu vào là (u), và tín hiệu ra la (Y). Và bộ điều khiển lại tiếp tục như trên.

Khi thiết kế bộ PID nên theo các bước sau để có kết quả như mong muốn: + Tìm đáp ứng hệ hở và xác định thông số nào cần cải thiện. + Thêm thành phần Kp để cải thiện thời gian đáp ứng. + Thêm thành phần Kd để giảm độ vọt lố. + Thêm thành phần Ki để triệt tiêu sai số xác lập.

+ Điều chỉnh Kp, Ki, Kd cho đến khi đáp ứng các thông số yêu cầu. Thường xuyên tham khảo bảng phân tích phía trên để biết đặc tính các thành phần trong bộ điều khiển. Các thành phần Kp, Ki, Kd vào hệ đơn nếu không cần thiết. Ví dụ, nếu bộ PI đủ đáp ứng yêu cầu thì không cần thêm vào thành phần vi phân Kd, bộ điều khiển càng đơn giản càng tốt.

Có nhiều cấu trúc khác nhau của bộ PID, tuy nhiên ta thường hay sử dụng nhất là hai cấu trúc đó là: PID mắc song song và PID mắc nối tiếp. Cấu trúc PID mắc song song hầu hết được nói đến trong lý thuyết, vì vậy 13 nó còn được gọi là “Lý tưởng”. Cấu trúc này được tạo nên bởi ba chế độ: Tỷ lệ , tích phân, vi phân và mỗi chế độ này độc lập nhau. Cấu trúc song song này vẫn còn rất hiếm trên thị trường.

Bộ điều khiển đầu tiên được tạo nên từ khí nén và nó thì rất khó để xây dựng nên cấu trúc song song tạo bởi các phần tử khí nén. Để bảo đảm cho các quá trình trong công nghiệp hầu hết các bộ điều khiển được sử dụng vẫn là cấu trúc mắc nối tiếp. Trong các lĩnh vực khác, bộ điều khiển PID mắc nối tiếp có thể được tìm thấy nhiều hơn trên thị trường. - PID mắc song song Kết nối song song các thành phần tỷ lệ, tích phân, vi phân được gọi là bộ điều khiển PID mắc song song như hình bên dưới: Hình 1.5: Cấu trúc mắc song song Tín hiệu đầu ra: 1 𝑑𝑒(𝑡) 𝑢(𝑡) = 𝐾 [𝑒(𝑡) + ∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡 + 𝑇𝑑 ] (1.3) 𝑇𝑖 𝑑𝑡 14 - PID mắc nối tiếp Cấu trúc này rất phổ biến trong các quá trình công nghiệp.

Kênh I sử dụng de(t) cả 2 tín hiệu sai lệch e(t) và. Nó thực hiện như một chuỗi các kết nối dt của bộ điều khiển PI và PD. Thuật toán điều khiển như sau: Hình 1.6: Cấu trúc mắc nối tiếp Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển: 1 𝑡 𝑢𝑃𝐷∗𝑃𝐼 (𝑡) = 𝐾 [𝑒1 (𝑡) + 𝑠 ∫ 𝑒1 (𝑡)𝑑(𝑡)] (1.5) 𝑑𝑡 Bộ điều khiển PID ra đời và nổi lên như một giải pháp cho vấn đề chống sai số trong điều khiển bằng cách dùng các mô hình điều khiển lặp và điều chỉnh đáp ứng ngõ ra của hệ thống dựa trên các giá trị hồi tiếp của quá trình. Sau đây chúng ta tìm hiểu từng phần tử trong bộ PID: 1.1 Khâu P Khâu P tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị của sai lệch.

Việc này được thực hiện bằng cách nhân sai lệch e với hằng số KP – gọi là hằng số tỉ lệ. Khâu P được tính dựa trên công thức: (1.6) 15 Với: Pout: giá trị ngõ ra KP: hằng số tỉ lệ e: sai lệch: e = SP – PV Sơ đồ khối của khâu P: Hàm truyền: Gp (s) = K p (1.7) Nếu chỉ có khâu P thì trong mọi trường hợp sai số tĩnh luôn xuất hiện, trừ khi giá trị đầu vào của hệ thống bằng 0 hoặc đã bằng với giá trị mong muốn. Trong hình sau thể hiện sai số tĩnh xuất hiện khi thay đổi giá trị đặt.7: Đáp ứng của khâu P Nếu giá trị khâu P quá lớn sẽ làm cho hệ thống mất ổn định.2 Khâu I Khâu I cộng thêm tổng các sai số trước đó vào giá trị điều khiển. Việc tính tổng các sai số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt được bằng với giá trị đặt, và kết quả là khi hệ cân bằng thì sai số bằng 0.

Khâu I được tính theo công thức: (1.8) Với: IOUT: giá trị ngõ ra khâu I Ki: hệ số tích phân e: sai số: e = SP – PV Sơ đồ khối khâu I: Hàm truyền: U(s) K I 1 G(s) = = = (1.