Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa sản xuất, việc ứng dụng công nghệ tự động vào các dây chuyền nhà máy là xu thế tất yếu nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng năng suất, giảm giá thành và từng bước thay thế sức lao động thủ công của con người. Các hệ thống điều khiển lập trình PLC, hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA/HMI cùng các bộ biến tần bán dẫn công suất đang được triển khai rộng rãi trong các ngành công nghiệp, dầu khí, năng lượng và hàng không. Đối với hệ truyền động điện xoay chiều sử dụng động cơ không đồng bộ 3 pha—loại động cơ có cấu tạo đơn giản, độ tin cậy cao và giá thành hợp lý nhưng có đặc tính điều chỉnh tốc độ phi tuyến phức tạp—việc kết hợp bộ biến tần với PLC và thiết bị phản hồi tốc độ (Encoder) tạo nên một giải pháp điều khiển vòng kín linh hoạt, đáp ứng chính xác yêu cầu công nghệ.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ TDD xoay chiều 3 pha sử dụng PLC - Biến tần" được thực hiện tại Khoa Điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Điện Lực nhằm củng cố kiến thức chuyên môn và trực tiếp xây dựng mô hình thí nghiệm thực hành cho môn học PLC tại trường.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể theo các nội dung sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan về hệ thống truyền động điện xoay chiều 3 pha, nguyên lý làm việc và đặc tính của động cơ không đồng bộ 3 pha, các phương pháp điều chỉnh tần số nguồn cấp và nguyên lý hoạt động của bộ biến tần.
  2. Tìm hiểu chi tiết cấu trúc phần cứng, nguyên lý hoạt động, tập lệnh lập trình của bộ điều khiển khả trình PLC Siemens S7-1200, bộ biến tần Omron họ 3G3X (trọng tâm là model 3G3JX A2007) và cảm biến tốc độ Encoder quang.
  3. Thiết kế, lựa chọn khí cụ điện, đấu nối phần cứng mô hình bàn thí nghiệm truyền động điện xoay chiều 3 pha sử dụng PLC S7-1200, biến tần Omron 3G3JX A2007, động cơ không đồng bộ và Encoder.
  4. Lập trình cấu hình phần cứng, xử lý tín hiệu bộ đếm tốc độ cao (HSC), giải thuật điều khiển vòng kín PID trên phần mềm TIA Portal và thiết kế giao diện giám sát, điều khiển thời gian thực trên phần mềm WinCC Flexible 2008.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ truyền động điện xoay chiều 3 pha điều khiển vòng kín tốc độ, bao gồm động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc, bộ biến tần Omron 3G3JX A2007, bộ điều khiển PLC Siemens Simatic S7-1200 (CPU 1214C), cảm biến Encoder quang hai kênh A/B và hệ thống giám sát SCADA.
  • Phạm vi không gian: Phòng thí nghiệm chuyên ngành thuộc Khoa Điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Điện Lực.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được giao ngày 05/10/2018 và hoàn thành nộp quyển vào ngày 03/01/2019.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên nền tảng lý thuyết truyền động điện xoay chiều, kỹ thuật điều khiển tự động và điện tử công suất:

  • Mô hình toán học động cơ không đồng bộ 3 pha: Xuất phát từ sơ đồ thay thế một pha ở trạng thái xác lập với các thông số điện áp pha stato ($U_{f1}$), dòng điện từ hóa ($I_\mu$), dòng điện stato ($I_1$), dòng điện rôto quy đổi ($I'2$), điện trở và điện kháng tản cuộn dây stato và rôto ($R_1, X{1\delta}, R'2, X'{2\delta}$). Phương trình cân bằng công suất điện từ $P_{đt} = P_{cơ} + \Delta P_s$, trong đó công suất cơ $P_{cơ} = M \cdot \omega$ và tổn hao đồng mạch rôto $\Delta P = 3 R'2 I_2^{'2}$. Phương trình đặc tính cơ $M = f(s)$ dạng đầy đủ và dạng thu gọn Kloss theo mômen tới hạn $M{th}$ và độ trượt tới hạn $s_{th}$: $$\frac{M}{M_{th}} = \frac{2 + a s_{th}}{\frac{s}{s_{th}} + \frac{s_{th}}{s} + a s_{th}} \quad \text{với } a = \frac{R_1}{R'_2}$$
  • Các luật điều chỉnh tần số nguồn cấp:
    • Luật giữ khả năng quá tải không đổi ($M_{th}/M = m$): Duy trì khả năng chịu tải của động cơ khi thay đổi tần số theo quy luật phối hợp giữa điện áp và tần số.
    • Luật giữ từ thông rôto không đổi ($\Phi_r = const$): Điều chỉnh dòng điện theo độ trượt nhằm đảm bảo véctơ từ thông rôto và véctơ dòng điện rôto vuông góc trong không gian, khi đó mômen điện từ tỷ lệ thuận với dòng điện rôto.
    • Luật giữ tần số trượt không đổi ($s_l = const$): Động cơ luôn sinh ra mômen bằng mômen tới hạn ứng với giá trị dòng stato cho trước.
    • Luật điều khiển véctơ không gian (Space Vector PWM - SVPWM): Biểu diễn dòng điện, điện áp và từ thông 3 pha đối xứng dưới dạng các véctơ không gian trên hệ tọa độ vuông góc $(\alpha, \beta)$ gắn trên stato hoặc rôto.
  • Nguyên lý biến tần nguồn áp và phương pháp nghịch lưu:
    • Khối chỉnh lưu cầu diode kết hợp tụ lọc $C$ chuyển đổi nguồn xoay chiều thành điện áp một chiều phẳng $U_d$.
    • Khối nghịch lưu sử dụng 6 van bán dẫn công suất IGBT ($VT_1 \div VT_6$) có diode mắc song song ngược, điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) dựa trên việc so sánh sóng điều chế sin ($U_{ma}, U_{mb}, U_{mc}$) với sóng mang tam giác cân ($U_t$).
    • Kỹ thuật điều chế véctơ điện áp không gian (SVPWM) sử dụng 8 trạng thái đóng cắt (6 véctơ tích cực $V_1 \div V_6$ và 2 véctơ không $V_0, V_7$), cho phép đạt chỉ số điều chế cực đại $m_{max} \approx 0,907$, cao hơn so với phương pháp SPWM truyền thống.
    • Các chế độ phối hợp điện áp - tần số: $U_1/\omega_1 = const$ (đặc tính mômen không đổi dưới tần số cơ bản), $E_f/\omega_1 = const$ (bù sụt áp stato để giữ từ thông khe hở không đổi) và $E_r/\omega_1 = const$ (bù sụt áp điện kháng tản rôto để đặc tính cơ hoàn toàn tuyến tính tương tự động cơ một chiều kích từ độc lập).
  • Giải thuật điều khiển PID: Vòng lặp điều khiển phản hồi với 3 thành phần Tỉ lệ ($P$ - xử lý sai lệch hiện tại), Tích phân ($I$ - triệt tiêu sai lệch tĩnh trong quá khứ) và Vi phân ($D$ - dự đoán xu hướng biến thiên sai số trong tương lai).

Phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Khảo sát các công thức toán học, nguyên lý điều chế nghịch lưu và các luật điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha.
  • Phương pháp thiết kế và tích hợp hệ thống kỹ thuật: Tính toán, lựa chọn khí cụ điện, thiết kế sơ đồ đấu nối mạch lực và mạch điều khiển giữa PLC S7-1200, biến tần Omron 3G3JX A2007, động cơ và Encoder.
  • Phương pháp lập trình và mô phỏng thực nghiệm: Cấu hình phần cứng và lập trình khối thuật toán PID trong ngắt định kỳ (Cyclic Interrupt) trên phần mềm TIA Portal; thiết kế giao diện HMI SCADA trên WinCC Flexible 2008; tiến hành thử nghiệm hệ thống thực tế ở nhiều dải tốc độ đặt khác nhau.

Nguồn dữ liệu và tài liệu tham khảo: Đồ án kế thừa lý thuyết từ các giáo trình chuyên ngành như Truyền động điện (Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền), Khí cụ điện (Phạm Văn Chới, Bùi Tín Hữu, Nguyễn Tiến Tôn), Giáo trình Máy điện (Đào Hoa Việt), Tự động hóa và điều khiển thiết bị điện (Trần Văn Thịnh) cùng tài liệu thực hành PLC của Trường Đại học Điện Lực và tài liệu kỹ thuật từ Siemens, Omron.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống truyền động điện được xây dựng theo cấu trúc điều khiển vòng kín phản hồi tốc độ. Cấu trúc và phương thức triển khai kỹ thuật của hệ thống bao gồm các thành phần sau:

[Máy tính giám sát (WinCC Flexible 2008)]

Kiến trúc phần cứng và thiết bị

  • Bộ điều khiển trung tâm PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C):
    • Cấu hình tích hợp 14 ngõ vào số (DI), 10 ngõ ra số (DO), 2 ngõ vào tương tự (AI 0-10V), bộ nhớ làm việc 50 KB, bộ nhớ tải 2 MB, tích hợp cổng truyền thông Ethernet Profinet tốc độ 10/100 Mbit/s.
    • Tích hợp 6 bộ đếm xung tốc độ cao (HSC) hỗ trợ tần số lên đến 100 kHz ở chế độ đơn.
    • Bổ sung module mở rộng ngõ ra tương tự (Analog Output - AO) phát tín hiệu điện áp $0 \div 10\text{V}$ để điều khiển tần số biến tần.
  • Bộ biến tần Omron 3G3JX A2007:
    • Công suất định mức 0,75 kW, cấp nguồn đầu vào 1 pha/3 pha 200VAC, điện áp đầu ra 3 pha $200 \div 240\text{VAC}$, dải tần số điều khiển $0,5 \div 400\text{Hz}$, độ phân giải tần số 0,1 Hz.
    • Phương pháp điều khiển điều rộng xung sóng sin (V/f), tần số sóng mang $2 \div 12\text{kHz}$, cấp bảo vệ vỏ ngoài IP20.
    • Các đầu nối mạch lực: $L_1, N/L_3$ (nguồn vào), $U, V, W$ (ngõ ra động cơ), $+1, +$ (nối cuộn kháng DC), $RB, +$ (nối điện trở xả). Mạch điều khiển gồm các chân nhận lệnh chạy thuận/ngược, ngõ vào analog ($O/OI$) và tiếp điểm relay báo lỗi ($MA, MB, MC$).
  • Cảm biến tốc độ Encoder quang:
    • Cơ cấu gồm đĩa quang quay chia vạch, phát ra 2 chuỗi xung vuông lệch pha nhau $90^\circ$ trên kênh A và kênh B nhằm xác định chính xác số vòng quay và chiều quay của trục động cơ.
  • Khí cụ điện phụ trợ: Aptomat bảo vệ nguồn, nút nhấn dừng khẩn cấp (Emergency Stop), nút bấm khởi động/dừng, relay trung gian 24VDC, rơ le nhiệt và đèn báo trạng thái.

Cấu hình phần mềm và thuật toán điều khiển

  • Phần mềm TIA Portal (Totally Integrated Automation):
    • Chương trình chính (Main - OB1): Thực thi logic điều khiển chuyển đổi chế độ Chạy tại chỗ (Local qua nút bấm vật lý) và Chạy từ xa (Remote qua HMI WinCC); xử lý các lệnh quay thuận, quay ngược, dừng và lệnh reset hệ thống khi xảy ra lỗi.
    • Khối xử lý ngắt chu kỳ (Cyclic Interrupt - OB30/OB35): Thực thi định kỳ để đọc dữ liệu xung từ bộ đếm tốc độ cao HSC (chu kỳ lấy mẫu 1 giây), chuyển đổi kiểu dữ liệu sang số thực (Real), tính toán tốc độ thực tế (vòng/phút) cho cả chiều quay dương và âm.
    • Khối điều khiển PID: Tính toán độ lệch giữa tốc độ đặt và tốc độ phản hồi ($e = \text{SetPoint} - \text{ProcessValue}$), thực thi giải thuật PID để tính toán lượng đặt tần số điều khiển, sau đó chuyển đổi giá trị số sang tín hiệu analog xuất ra module AO ($0 \div 10\text{V}$) đưa vào biến tần.
  • Phần mềm WinCC Flexible 2008:
    • Thiết kế màn hình giám sát thời gian thực bao gồm: Màn hình giới thiệu và Màn hình điều khiển chính.
    • Giao diện trực quan hóa các tham số: ô nhập tốc độ đặt (Set Point), thanh đo tốc độ phản hồi (FeedBack), đồng hồ hiển thị tần số ngõ ra (Hz), dòng điện động cơ (A), thông số cài đặt PID và các nút nhấn điều khiển (Start, Stop, Fwd, Rev, Reset).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền động điện xoay chiều 3 pha sử dụng biến tần

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha và các nguyên lý điều tốc hiện đại:

  • Phân tích ưu và nhược điểm của động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc (cấu tạo bền vững, giá thành thấp nhưng khó khống chế quá trình quá độ). Thiết lập phương trình đặc tính cơ dựa trên sơ đồ thay thế một pha, xác định mômen tới hạn $M_{th}$ và độ trượt tới hạn $s_{th}$.
  • Đánh giá 4 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ kinh điển:
    • Điều chỉnh tổn thất: Điều khiển điện áp stato dùng Thyristor (dải điều chỉnh hẹp, tổn thất lớn, chủ yếu dùng khởi động mềm cho bơm/quạt); Thay đổi điện trở phụ mạch rôto của động cơ rôto dây quấn (mômen khởi động lớn nhưng hiệu suất thấp).
    • Điều chỉnh kinh tế: Điều chỉnh công suất trượt (hoàn trả công suất trượt về lưới điện, phù hợp với dải công suất lớn $> 400\text{kW}$); Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp (phương pháp tối ưu nhất hiện nay do tác động trực tiếp vào công suất điện đầu vào, giữ độ cứng đặc tính cơ tốt).
  • Nghiên cứu 4 luật điều khiển tần số: Giữ khả năng quá tải không đổi, giữ từ thông không đổi, giữ tần số trượt không đổi và phương pháp véctơ không gian.
  • Khảo sát nguyên lý biến tần SPWM và SVPWM; so sánh 3 chế độ phối hợp điện áp - tần số ($U_1/\omega_1 = const$, $E_f/\omega_1 = const$, $E_r/\omega_1 = const$).
Phương pháp điều khiển Đặc tính V/F Vector không cảm biến Vector theo từ thông thực Vector dùng cảm biến
Phạm vi điều khiển tốc độ 1:10 ($6 \div 50\text{Hz}$) 1:120 ($0,3 \div 50\text{Hz}$) 1:200 1:1500 ($1 \div 1500\text{ vòng/phút}$)
Độ nhạy đáp ứng $10 \div 20\text{ rad/s}$ $20 \div 30\text{ rad/s}$ $120\text{ rad/s}$ $300\text{ rad/s}$
Điều khiển tốc độ Có Có Có Có
Điều khiển mômen xoắn Không Không Có Có
Điều khiển vị trí Không Không Không Có
Yêu cầu động cơ Động cơ tiêu chuẩn Động cơ tiêu chuẩn Động cơ tiêu chuẩn Động cơ chuyên dụng gắn Encoder
  • Trình bày sơ đồ khối hệ kín PLC - Biến tần - Động cơ - Encoder và cấu trúc giải thuật 3 thành phần của bộ điều khiển PID.

Chương 2: Tìm hiểu các thiết bị có trong hệ truyền động

Chương 2 tập trung phân tích sâu thông số kỹ thuật, cấu trúc phần cứng và phương thức cấu hình của các thiết bị chính trong hệ thống:

  • Bộ điều khiển lập trình PLC Siemens Simatic S7-1200:
    • Khảo sát cấu trúc bên trong gồm CPU, bộ nhớ (làm việc, nạp, lưu giữ), khối nguồn và các module vào/ra (I/O). Phân biệt 2 dòng phần cứng: loại nguồn cấp 220VAC (ngõ ra Relay tải đa cấp điện áp nhưng tần số đóng cắt chậm) và loại nguồn 24VDC (ngõ ra Transistor hỗ trợ phát xung tốc độ cao).
    • So sánh đặc tính các dòng CPU S7-1200:
Đặc trưng kỹ thuật CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C
Kích thước (mm) $90 \times 100 \times 75$ $90 \times 100 \times 75$ $110 \times 100 \times 75$
Bộ nhớ làm việc (Work Memory) 25 Kbytes 50 Kbytes 50 Kbytes
Bộ nhớ tải (Load Memory) 1 Mbytes 1 Mbytes 2 Mbytes
Số lượng I/O tích hợp 6 DI / 4 DO / 2 AI 8 DI / 6 DO / 2 AI 14 DI / 10 DO / 2 AI
Module mở rộng tín hiệu (SM) Không hỗ trợ Tối đa 2 Tối đa 8
Bộ đếm tốc độ cao (HSC) 3 bộ ($100\text{kHz}$) 4 bộ ($100\text{kHz}$) 6 bộ ($100\text{kHz}$)
Thời gian thực thi lệnh Số thực: $18\mu\text{s}$ / Bit: $0,1\mu\text{s}$ Số thực: $18\mu\text{s}$ / Bit: $0,1\mu\text{s}$ Số thực: $18\mu\text{s}$ / Bit: $0,1\mu\text{s}$
  • Trình bày phần mềm TIA Portal, nguyên lý ngôn ngữ lập trình LAD (Ladder Logic) và FBD (Function Block Diagram); phân tích chi tiết tập lệnh tiếp điểm thường mở/đóng, Set/Reset, phát hiện sườn xung ($P/N$), các bộ định thời (Timer TP, TON, TONR, TOF), bộ đếm (Counter CTU, CTD, CTUD), lệnh so sánh, lệnh toán học (+, -, *, /), lệnh di chuyển dữ liệu (Move) và chuyển đổi kiểu (Convert).
  • Bộ biến tần Omron họ 3G3X:
    • So sánh 3 dòng biến tần công nghiệp của Omron: dòng cơ bản 3G3JX ($0,2 \div 0,75\text{kW}$, điều khiển V/f), dòng đa năng 3G3MX ($0,2 \div 0,75\text{kW}$, hỗ trợ V/f và véctơ không cảm biến), và dòng cao cấp 3G3RX ($5,5 \div 400\text{kW}$, điều khiển véctơ vòng hở/kín).
    • Khảo sát sơ đồ chân mạch lực và mạch điều khiển của biến tần Omron 3G3JX A2007; phân tích chức năng các phím bấm và cấu trúc bảng tham số cài đặt (nhóm tham số cơ bản, nhóm mở rộng $A, B, C$).
  • Cảm biến Encoder: Trình bày cấu tạo đĩa mã vạch quang, nguyên lý phát quang - thu quang và cách trích xuất 2 kênh xung A, B lệch pha $90^\circ$ để đọc chiều quay và tốc độ động cơ.

Chương 3: Thiết kế mô hình hệ TDD sử dụng PLC - Biến tần Omron 3G3JX A2007

Chương 3 là phần thực nghiệm thiết kế, đấu nối và lập trình hoàn thiện hệ thống:

  • Lựa chọn và tổng hợp danh mục khí cụ điện sử dụng cho mô hình bàn thực hành (aptomat, relay, nút bấm, đèn báo, domino đấu dây).
  • Lập bảng cài đặt tham số vận hành trên biến tần Omron 3G3JX A2007: Cài đặt tần số cực đại ($50\text{Hz}$), thời gian tăng tốc/giảm tốc, chọn nguồn lệnh chạy qua chân điều khiển ngoài, chọn nguồn đặt tần số qua ngõ vào analog $0 \div 10\text{V}$ từ PLC.
  • Xây dựng chương trình điều khiển hoàn chỉnh trên phần mềm TIA Portal:
    • Thiết lập bảng phân công địa chỉ I/O cho PLC S7-1200 và cấu hình module Analog Output (AO).
    • Khai báo bảng Tag và cấu hình kênh HSC nhận xung từ kênh A, B của Encoder.
    • Lập trình mạng lệnh Main: Xử lý chuyển đổi chế độ Chạy tại chỗ / Chạy từ xa, lệnh quay thuận, lệnh quay ngược, lệnh reset hệ thống và hiển thị trạng thái dòng điện, tần số.
    • Lập trình mạng lệnh Cyclic Interrupt: Đọc bộ đếm HSC chu kỳ 1s, thuật toán chuyển đổi sang tốc độ thực tế (vòng/phút), thuật toán PID ổn định tốc độ, xử lý tính toán cho cả dải tốc độ dương và tốc độ âm, tính toán sai lệch tĩnh và hàm reset bộ PID khi hệ thống báo sự cố.
  • Thiết kế giao diện HMI SCADA trên phần mềm WinCC Flexible 2008:
    • Thiết kế màn hình đồ họa giám sát liên kết các biến tag của PLC.
    • Tiến hành kiểm thử thực tế hoạt động của mô hình ở các trạng thái: Động cơ dừng, tốc độ đặt $+1000\text{ vòng/phút}$, tốc độ đặt $+600\text{ vòng/phút}$ và đảo chiều tốc độ đặt $-600\text{ vòng/phút}$.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Hoàn thiện mô hình phần cứng thực nghiệm: Đấu nối hoàn chỉnh bàn thí nghiệm truyền động điện xoay chiều 3 pha sử dụng PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C kết hợp module Analog Output, biến tần Omron 3G3JX A2007, động cơ không đồng bộ 3 pha và Encoder quang. Hệ thống hoạt động an toàn, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn bảo vệ điện công nghiệp.
  2. Xây dựng chương trình điều khiển vòng kín ổn định: Lập trình thành công thuật toán PID trong khối ngắt chu kỳ trên TIA Portal, kết hợp module HSC đọc chính xác xung phản hồi tốc độ từ Encoder, tự động bù sai lệch tốc độ khi có tải và điều khiển tần số ngõ ra của biến tần qua điện áp analog $0 \div 10\text{V}$.
  3. Phát triển giao diện giám sát SCADA/HMI hoàn chỉnh: Xây dựng giao diện WinCC Flexible 2008 cho phép giám sát trực quan các thông số vận hành (tốc độ đặt, tốc độ phản hồi thực tế, dòng điện, tần số) và điều khiển linh hoạt hai chế độ Chạy tại chỗ / Chạy từ xa, quay thuận và quay ngược.
  4. Kiểm chứng thực nghiệm các chế độ làm việc: Mô hình đã được vận hành thử nghiệm thành công tại các điểm làm việc:
    • Trạng thái dừng hệ thống ($0\text{ vòng/phút}$).
    • Chạy thuận với tốc độ đặt $+1000\text{ vòng/phút}$.
    • Chạy thuận với tốc độ đặt $+600\text{ vòng/phút}$.
    • Chạy ngược (đảo chiều quay) với tốc độ đặt $-600\text{ vòng/phút}$.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Ứng dụng trực tiếp mô hình đã hoàn thiện làm trang thiết bị thí nghiệm - thực hành phục vụ giảng dạy các môn học Lập trình PLC, Truyền động điện và Hệ thống điều khiển tự động tại Khoa Điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Điện Lực.
  • Đề xuất bổ sung thêm các bài thí nghiệm mở rộng về khảo sát chỉ tiêu chất lượng của hệ điều khiển PID khi thay đổi các thông số $K_p, T_i, T_d$.

Đóng góp của đề tài

  • Đề tài đã tích hợp thành công các thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn (Siemens S7-1200, Omron 3G3JX, WinCC Flexible) thành một hệ thống điều khiển tự động vòng kín hoàn chỉnh.
  • Kết nối chặt chẽ giữa lý thuyết truyền động điện kinh điển với kỹ thuật lập trình điều khiển số hiện đại, tạo tiền đề thực tiễn vững chắc cho sinh viên trước khi tiếp cận các dây chuyền sản xuất tự động trong công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Mô hình thực nghiệm được xây dựng ở quy mô phòng thí nghiệm với công suất biến tần ($0,75\text{kW}$) và động cơ nhỏ, chưa khảo sát được các chế độ tải nặng hoặc phụ tải va đập mạnh trong công nghiệp thực tế.
    • Phương pháp điều khiển trên biến tần Omron 3G3JX trong đồ án là điều khiển V/f kết hợp vòng kín ngoài qua PLC, chưa triển khai các phương pháp điều khiển véctơ từ thông chuyên sâu có cảm biến tích hợp sẵn trên biến tần.
    • Tín hiệu điều khiển giữa PLC và biến tần sử dụng ngõ vào/ra tương tự analog thuần túy ($0 \div 10\text{V}$), chưa sử dụng các chuẩn mạng truyền thông công nghiệp.
  • Hướng nghiên cứu mở rộng:
    • Nghiên cứu tích hợp các chuẩn truyền thông mạng công nghiệp như Modbus RTU (RS485) hoặc Profinet giữa PLC S7-1200 và biến tần để truyền nhận dữ liệu số, giảm thiểu suy hao và nhiễu trên đường dây analog.
    • Mở rộng thuật toán điều khiển hiện đại (PID thích nghi, điều khiển mờ - Fuzzy Logic hoặc Neural Network) nhằm nâng cao chất lượng điều chỉnh tốc độ khi tải biến thiên liên tục.
    • Tích hợp hệ thống vào mạng SCADA quy mô lớn hoặc kết nối giám sát qua nền tảng công nghiệp vạn vật kết nối (Industrial IoT).

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho sinh viên, học viên và kỹ sư ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện - Điện tử và Cơ điện tử:

  • Tài liệu tham khảo thực hành PLC và Biến tần: Cung cấp hướng dẫn chi tiết về cấu hình phần cứng PLC S7-1200 CPU 1214C, cách sử dụng bộ đếm tốc độ cao (HSC) để đọc Encoder và cách lập trình giải thuật PID trong khối ngắt Cyclic Interrupt trên môi trường TIA Portal.
  • Tài liệu hướng dẫn thiết kế HMI/SCADA: Hướng dẫn từng bước cách tạo bảng tag, liên kết dữ liệu thời gian thực và thiết kế giao diện điều khiển, giám sát trực quan trên WinCC Flexible 2008.
  • Tài liệu đấu nối và cài đặt biến tần công nghiệp: Cung cấp sơ đồ mạch lực, mạch điều khiển và bảng tra cứu thông số cài đặt thực tế cho dòng biến tần Omron 3G3JX A2007.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng bộ điều khiển PLC và dòng CPU cụ thể nào để điều khiển hệ truyền động?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens Simatic S7-1200 với model CPU 1214C. Thiết bị được tích hợp 14 ngõ vào số (DI), 10 ngõ ra số (DO), 2 ngõ vào tương tự (AI), 6 bộ đếm xung tốc độ cao (HSC) và được gắn thêm module mở rộng ngõ ra tương tự (Analog Output - AO) để xuất áp điều khiển $0 \div 10\text{V}$ tới biến tần.

2. Model biến tần nào được lựa chọn và có những thông số kỹ thuật chính nào?
Đồ án sử dụng biến tần Omron model 3G3JX A2007 với công suất định mức 0,75 kW, cấp nguồn đầu vào 1 pha/3 pha 200VAC, tần số điều khiển trong dải $0,5 \div 400\text{Hz}$ (độ phân giải 0,1 Hz), phương pháp điều chế độ rộng xung sóng sin (V/f) với tần số sóng mang $2 \div 12\text{kHz}$ và cấp bảo vệ IP20.

3. Thuật toán PID được thực thi ở đâu và đảm nhiệm chức năng gì trong hệ thống?
Thuật toán PID được lập trình và thực thi trực tiếp bên trong khối ngắt chu kỳ (Cyclic Interrupt) của PLC S7-1200 trên phần mềm TIA Portal (thay vì dùng PID tích hợp sẵn trên biến tần). Thuật toán có nhiệm vụ so sánh tốc độ đặt từ người vận hành với tốc độ phản hồi thực tế từ Encoder, tính toán độ lệch và xuất tín hiệu điện áp analog tương ứng qua module AO để ổn định tốc độ động cơ theo yêu cầu.

4. Tín hiệu phản hồi tốc độ động cơ được thu thập và xử lý bằng cách nào?
Tín hiệu được đo bằng cảm biến Encoder quang gắn ở trục động cơ, phát ra 2 chuỗi xung vuông lệch pha $90^\circ$ trên kênh A và kênh B. Tín hiệu này được đưa về bộ đếm tốc độ cao HSC của PLC S7-1200; chương trình ngắt chu kỳ 1 giây sẽ đọc số xung đếm được, chuyển đổi sang kiểu số thực (Real) và tính toán ra tốc độ quay thực tế theo đơn vị vòng/phút cho cả hai chiều quay.

5. Giao diện điều khiển và giám sát (HMI/SCADA) được thiết kế trên phần mềm nào và hỗ trợ những chức năng gì?
Giao diện được thiết kế bằng phần mềm WinCC Flexible 2008 của Siemens. Giao diện cho phép chọn chế độ Chạy tại chỗ (Local) hoặc Chạy từ xa (Remote), điều khiển Chạy/Dừng, đảo chiều quay Thuận/Ngược, nhập giá trị tốc độ đặt (ví dụ: $+1000, +600, -600\text{ vòng/phút}$), reset hệ thống khi có lỗi và hiển thị trực quan các tham số dòng điện, tần số và tốc độ phản hồi thời gian thực.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ TDD xoay chiều 3 pha sử dụng PLC - Biến tần" của sinh viên Hoàng Văn Tùng đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu nghiên cứu lý thuyết và triển khai thực nghiệm hệ thống truyền động điện xoay chiều 3 pha vòng kín. Công trình đã tích hợp thành công phần cứng PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C, Biến tần Omron 3G3JX A2007, Động cơ không đồng bộ và Encoder quang với giải thuật điều khiển PID và giao diện giám sát WinCC Flexible 2008. Kết quả thử nghiệm thực tế chứng minh hệ thống vận hành ổn định, đáp ứng tốt các yêu cầu công nghệ ở nhiều dải tốc độ và chiều quay khác nhau. Đây là công trình kỹ thuật có tính ứng dụng cao, đóng góp một mô hình bàn thí nghiệm hoàn chỉnh phục vụ công tác đào tạo và nghiên cứu chuyên ngành Tự động hóa.