Ứng Dụng Plc Và Biến Tần Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Các Cấp Tốc Độ Động Cơ Điện Xoay Chiều Kđb 3 Pha .Docx

Trường Đại Học SPKT Hưng Yên

Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Sinh Viên Thực Hiện:
Khố học:
Ngành đào tạo:

Tự động hố cơng nghiệp

Tên đề tài:

Ứng dụng PLC và Biến tần thiết kế hệ thống

điều khiển các cấp tốc độ động cơ điện xoay chiều KĐB 3 pha .
Nội dung cần hoàn thành:
1. Thuyết minh:
 Tổng quan về PLC và biến tần .
 Thiết kế, tính tốn lựa chọn linh kiện và chế tạo tủ điện đảm bảo yêu cầu kĩ thuật.
 Khảo sát và đánh giá sản phẩm.
2. Phần thực hành:
-

Chế tạo tủ điện đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, mỹ thuật

-

Tên sản phẩm: Tủ điện điều khiển các cấp tốc độ động cơ 3 pha .

Giáo viên hướng dẫn:

Ngày giao đề tài:
Ngày hoàn thành:
Hưng yên , ngày tháng năm


MỤC LỤC
MỤC LỤC...................................................................................................1
DANH MỤC HÌNH ẢNH...............................................................................3
DANH MỤC BẢNG......................................................................................4
Lời nói đầu..............................................................................................5
Giới thiệu chung.....................................................................................7
1

Lý do chọn đề tài.........................................................................7

2

Mục đích nghiên cứu của đề tài...................................................7

3

Phạm vi của đề tài.......................................................................7

Chương 1.................................................................................................8
Giới thiệu tổng quan về đề tài.............................................................8
1.1
Giới thiệu động cơ KĐB ba pha roto lồng sóc..............................8
1.1.1 Khái niệm....................................................................................8
1.1.2 Cấu tạo.......................................................................................8

1.1.3 Ngun lí hoạt động...................................................................9
1.1.4 Ứng dụng...................................................................................9
1.1.5 Điều chỉnh tốc độ động cơ.......................................................10
1.2 Giới thiệu về PLC...........................................................................11
1.2.1 Khái niệm PLC..........................................................................11
1.2.2 Sơ đồ khối cấu trúc cơ bản PLC................................................11
1.2.3 Ngơn ngữ lập trình của PLC......................................................13
1.2.4 Tổ chức chương trình của PLC..................................................14
1.2.5 Ưu điểm và nhược điểm của PLC.............................................14
1.2.6 Ứng dụng của PLC..................................................................15
1.2.7 Một số loại PLC thơng dụng......................................................15
1.3 Tìm hiểu về biến tần( Inverter).....................................................16
1.3.1 Khái niệm về biến tần..............................................................16
1.3.2 Nguyên lý hoạt động................................................................16
1.3.3 Một số loại biến tần thông dụng trong công nghiệp................18
Chương 2...............................................................................................20
THIẾT KẾ , LẮP RÁP TỦ ĐIỆN DÙNG BIẾN TẦN VÀ PLC ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA...........................................................................20
2.1

Phân tích ý tưởng đề tài............................................................20

2.2
Biến tần FUJI__FVR_E9S.............................................................20
2.2.1 Thông số kỹ thuận....................................................................20
2.2.2 Sơ đồ đấu nối biến tần.............................................................21
2.2.3 Cài đặt chạy đa cấp tốc độ.......................................................22
2.2.4 Giới thiệu các nút chức năng...................................................24
1

2.3 PLC FX1N-40MR.............................................................................25
2.3.1 Khái niệm.................................................................................25
2.3.2 Cấu tạo.....................................................................................26
2.2.3 Input........................................................................................26
2.3.4 Output......................................................................................27
2.3.5 Ưu nhược điểm của PLC...........................................................27
2.4 Khí cụ điện....................................................................................28
2.4.1 Aptomat...................................................................................28
2.4.2 Dây điện...................................................................................30
2.4.3 Rơ le 24V..................................................................................30
2.4.4 Nút ấn......................................................................................31
2.5 Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ KĐB ba pha.......................33
2.5.1 Sơ đồ nguyên lý.......................................................................33
2.5.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống.............................................34
2.5.3 Chương trình PLC điều khiển....................................................34
Chương 3...............................................................................................35
KIỂM TRA, KHẢO SÁT,ĐÁNH GIÁ.......................................................35
3.1

Kiểm tra và khảo sát.................................................................35

3.2

Đánh giá....................................................................................35

3.3

Hình ảnh sản phẩm thực tế.......................................................36

KẾT LUẬN..............................................................................................38
Kết luận..............................................................................................38
Hạn chế..............................................................................................38
Hướng phát triển của đề tài...........................................................38
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................39

2


DANH MỤC HÌNH Ả
Hình 1. 1 Đơng cơ 3 pha KĐB....................................................................................................6
Hình 1. 2 Cấu tạo ĐC KĐ 3 pha.................................................................................................7
Hình 1. 3 Cấu trúc cơ bản của PLC...........................................................................................9
Hình 1.4 PLC dịng Sieme........................................................................................................13
Hình 1. 5 PLC dịng Misubishi.................................................................................................14
Hình 1. 6 sơ đồ chi tiết mạch điện của biến tần........................................................................15
Hình 1. 7 Dạng sóng điện áp và dịng điện đầu ra biến tần.......................................................15
Hình 1. 8 Biến tần DC..............................................................................................................16
Hình 1. 9 Biến tần biến đổi nguồn điện đầu vào (CSI).............................................................16
Hình 1. 10 Biến tần biến đổi độ rộng xung...............................................................................17
Y
Hình 2. 1 Sơ đồ đấu nối............................................................................................................20
Hình 2. 2 Thơng số sài đa cấp độ..............................................................................................21
Hình 2. 3 Đấu dây nguồn động lực...........................................................................................22
Hình 2. 4 PLC FX1N................................................................................................................24
Hình 2. 5 Các khối trong PLC..................................................................................................25
Hình 2. 6 Đầu vào PLC............................................................................................................. 25
Hình 2. 7 Bảng thơng số đầu ra của PLC..................................................................................26
Hình 2. 8 Aptomat.................................................................................................................... 27
Hình 2. 9 Dây điện.................................................................................................................... 29

Hình 2. 10 Rơ le 24V................................................................................................................ 29
Hình 2. 11Nút ấn và kí hiệu......................................................................................................30
Hình 2. 12Đèn báo....................................................................................................................31
Hình 2. 13 Sơ đồ ngun lý......................................................................................................32
Hình 2. 14 Chương trình...........................................................................................................33
Hình 3. 1 Sơ đồ kết nối.............................................................................................................34
Hình 3. 2 Hình ảnh mặt trong tủ...............................................................................................35
Hình 3. 3 Hình ảnh mặt ngồi tủ...............................................................................................36

3


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1 Thông số kỹ thuật biến tần fuji-fvr-e9s.........................................................................19
Bảng 2 Bảng cài đặt thông số biến tần......................................................................................21
Bảng 3 Bảng các nút chức năng của biến tần............................................................................24
Bảng 4 Bảng thông số đầu vào PLC.........................................................................................26

4


Lời nói đầu
Trong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại ngày nay, việc chế tạo ra các tủ điện chất lượng là hết sức cần
thiết.Vì vậy em được bộ mơn giao cho đề chuyên ngành II “Ứng dụng PLC và Biến tần thiết
kế hệ thống điều khiển các cấp tốc độ động cơ điện xoay chiều KĐB 3 pha ”.
Trong quá trình nghiên cứu, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô , giảng viên Trường
Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá
trình làm đồ án. Cùng với sự giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Điện – Điện
Tử .

5


Nhận xét của giáo viên hướng dẫn
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Hưng yên, Ngày ....... tháng ........năm .........
Ký tên

6


Giới thiệu chung
1 Lý do chọn đề tài
Một trong những thành tựu quan trọng nhất của tiến bộ khoa học kỹ thuật là tự động hóa
sản xuất. Nó cho phép nâng cao độ chính xác gia cơng, đồng thời cũng rút ngắn được thời
gian sản xuất, giảm sức lao động, tăng cao năng suất và an toàn lao động, mang lại hiệu
quả kinh tế. Chính vì vậy ở nước ta hiện nay và nhiều nước trên thế giới đã và đang ứng dụng
rộng rãi các dây chuyền sản xuất tự động vào hầu hết các lĩnh vực sản xuất.
Thực tế cho thấy các dây chuyền sản xuất tự động đều được giám sát và điều khiển thông
qua bộ PLC và biến tần vì tính linh hoạt của nó, đễ lắp đặt, bảo trì, bền và dễ lập trình,cài đặt.
Vì vậy áp dụng thiết bị lập trình điều khiển PLC ngày càng trở lên phổ biến. Chính vì vậy,
chúng em đã lựa chọn đề tài: “Ứng dụng PLC và Biến tần thiết kế hệ thống điều khiển các cấp
tốc độ động cơ điện xoay chiều KĐB 3 pha”.
2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu, phân tích lựa chọn thiết bị, thiết kế sơ đồ và thử nghiệm chương trình điều
khiển động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc đảm bảo yêu cầu.
Sản phẩm của đề tài có thể ứng dụng trong q trình nghiên cứu và có thể đảm bảo tính cơng
nghiệp, có tính khả thi trong thực tiễn.
3 Phạm vi của đề tài
- Nghiên cứu các cơ cấu chấp hành bằng PLC, cụ thể trong ứng dụng kết nối, điều khiển
động cơ 3 pha KĐB
- Nghiên cứu, ứng dụng kết nối, điều khiển biến tần fuji_fvr_e9s

7


Chương 1
Giới thiệu tổng quan về đề tài
1.1
Giới thiệu động cơ KĐB ba pha roto lồng sóc
1.1.1 Khái niệm
Động cơ điện 3 pha là 1 dạng máy điện không đồng bộ hoạt động sử dụng dòng điện
xoay chiều 3 pha. Đây là loại động cơ điện được sử dụng thông dụng trong các ngành công
nghiệp hoặc trong những dây chuyền sản xuất công suất lớn, cụ thể như các loại máy bơm ly
tâm trục ngang, máy bơm ly tâm trục đứng…
Dòng điện 3 pha trong động cơ điện khi chạy qua nam châm điện được đặt lệch trên một vòng
tròn sẽ tạo ra từ trường quay và các cuộn dây sẽ được bố trí tương tự như cách bố trí đường
dây trong máy phát điện 3 pha. Đối với động cơ điện 3 pha, dịng điện được đưa từ ngồi vào
bên trong các cuộn dây 1, 2, 3.
Khi motor điện xoay chiều 3 pha được đem đấu nối vào dòng điện 3 pha thì từ trường quay
cũng sẽ được tạo ra để nhằm làm rotor quay trên trục. Roto truyền chuyển động ra ngồi thơng
qua qua trục máy giúp vận hành các cơ cấu chuyển động hay các chuyển động của máy cơng
cụ.

Hình 1. 1 Đơng cơ 3 pha KĐB

1.1.2 Cấu tạo
- Cấu tạo của Motor 3 pha được thiết kế bao gồm 2 phần chính là phần stator (đứng yên)
và phần rotor (quay).
- Phần stator: Là tập hợp các tấm thép kỹ thuật điện rất mỏng ghép lại với nhau vào
khung, bên trong có xẻ rãnh hoặc làm bằng khối thép đúc. Phần dây sẽ được quấn đi
qua các rãnh khe của stator.
- Phần rotor: Là phần quay của motor điện, nó được ghép lại bằng nhiều thanh kim loại
để tạo thành dạng cái lồng có hình trụ ngay ngắn. Rotor của động cơ được chia thành 2
loại, đó là: loại rotor lồng sóc được tạo thành từ nhiều thanh kim loại song song cùng và
các dây quấn.

8


Hình 1. 2 Cấu tạo ĐC KĐ 3 pha

1.1.3 Nguyên lí hoạt động
Những lá sắt trong động cơ điện 3 pha là những lá sắt rất mỏng để giúp giảm dịng điện
xốy đến mức nhỏ nhất có thể. Người có chuyên môn đều biết được rằng một lợi thế lớn nhất
của động cơ điện 3 pha đó chính là nó có thể tự khởi động. Đồng thời, với mục đích tránh sự
dao động của momen quay trong động cơ, các thanh dẫn truyền trong rotor của động cơ được
thiết kế đặt xiên so với bộ phận trục quay.
Trong cấu tạo động cơ khơng đồng bộ 3 pha có sử dụng một chiếc rotor lồng sóc đã
được thay vì sử dụng một vịng dây kín đơn giản. Loại rotor lồng sóc được cấu tạo bao gồm
nhiều thanh dẫn được ngắn mạch 2 đầu, quá trình này được thực hiện bởi 2 vịng ngắn mạch.
Sẽ có 1 khoảng nhỏ mơ men quay chuyển động từ cặp thanh dẫn này sang cho cặp thanh dẫn
tiếp theo của động cơ nếu các thanh dẫn trong động cơ điện 3 pha được đặt thẳng song song
với trục. Đây là nguyên nhân gây ra sự dao động moment quay trong động cơ và làm rotor bị

giật, gián đoạn khi quay. Với cách đặt theo hướng xiên các thanh dẫn rotor, trước khi mô men
quay của động cơ điện 3 pha ngừng thì các cặp thanh dẫn khác cũng đi vào hoạt động. Do vậy,
việc này giúp tránh được q trình dao động của mơ men quay.
Ngun lý hoạt động cơ bản của một động cơ điện xoay chiều 3 pha đó là:
+ Khi ta thực hiện cho dịng điện 3 pha có tần số f vào trong 3 dây quấn stator thì ngay lập tức
chúng sẽ tạo ra từ trường quay bên trong động cơ với tốc độ là n1 = 60f/ p.
+ Từ trường quay ở phía bên trong động cơ sẽ giúp bạn dễ dàng cắt lần lượt các thanh dẫn của
phần dây quấn rotor cùng với cảm ứng của các sức điện động. Đồng thời, các dây quấn rotor
cũng được thực hiện việc đấu nối kín mạch. Vì thế, sức điện động cảm ứng của động cơ điện 3
pha sẽ làm sinh ra dịng điện ở trong các thanh dẫn rotor. Khi đó, lực tác dụng tương hỗ của từ
trường quay của máy cùng với thanh dẫn mang dòng điện rotor sẽ gây cho rotor quay nhanh
hơn với tốc độ n < n1, quay đồng thời cùng với nó và cùng chiều với n1.
+ Như ta đã biết, rotor n của động cơ điện 3 pha ln có tốc độ quay nhỏ hơn tốc độ vốn có của
từ trường quay n1. Khi tốc độ quay của chúng bằng nhau thì lực điện từ bằng 0, trong dây quấn
rotor sẽ khơng cịn tồn tại cả sức điện động lẫn dịng điện cảm ứng.
Cơng thức tính hệ số trượt của tốc độ là: s = (n1n)/ n1
Cơng thức tính tốc độ của động cơ là: n = 60f/ p.(1s) (vòng/ phút)
1.1.4 Ứng dụng
Ngày nay, động cơ điện 3 pha được sử dụng vô cùng rộng rãi trong các lĩnh vực của đời
sống bởi nó hoạt động bằng điện áp 3 pha ở tần số 50Hz mà động cơ có thể hoạt động ổn định.
- Động cơ điện 3 pha có các ứng dụng cơ bản và thông dụng ở dưới đây.
- Động cơ điện của máy bơm nước 3 pha.
- Động cơ điện của máy phát điện xoay chiều 3 pha.
- Động cơ điện của motor giảm tốc.
- Động cơ điện của motor kéo.
9


-

Động cơ điện 3 pha ứng dụng khác trong lĩnh vực công nghiệp như:
Máy bơm nước 3 pha: Chuyên cung cấp nước cho dây chuyền sản xuất hiện dại, công
nghiệp, dùng cho nồi hơi, các loại tháp tản nhiệt, đặc biệt là hệ thống cứu hỏa, phòng
cháy chữa cháy.
- Motor giảm tốc 3 pha: Được dùng rộng rãi trong dây chuyền sản xuất phân bón, dây
chuyền băng tải chuyển nơng sản trong kho, công nghệ sản xuất sắt thép, motor 3 pha
của máy tời dùng trong xây dựng, công nghiệp...
- Motor kéo 3 pha: Loại động cơ 3 pha này có tốc độ cao, được sử dụng cho động cơ của
các loại máy bơm nước cao áp...
1.1.5 Điều chỉnh tốc độ động cơ
Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số
Với điều kiện năng lực quá tải không đổi, có thể tìm ra được quan hệ giữa điện áp U1 , tần số

f1 và mômen M.
Trong công thức về mômen cực đại, nếu bỏ qua điện trở r1 :
U2
M max C 12
f1
Với C – hệ số
Khi thay đổi tần số đặc tính cơ thay đổi
Họ đặc tính cơ với U1 = const

Sơ đồ mạch điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số:

Rectifier – chỉnh lưu (AC → DC)
Inverter – Nghịch lưu (DC → AC)
f – control – điều khiển tần số
'
'
'

Giả thiết U 1 và M là điện áp và mômen lúc tần số f1 , căn cứ vào điều kiện năng lực quá tải
không đổi:
M ' max M max U '21 f12

 2 '2
M'
M
U1 f 1
Do đó:

U '1 f '1 M '

U1 f1 M
Trong thực tế ứng dụng, thường yêu cầu mômen không đổi:
U '1 f '1
U
  1 const
U1 f1
f1
Trường hợp yêu cầu công suất Pcơ không đổi, nghĩa là mômen tỉ lệ nghịch với tần số:
10


M '1 f1

M1 f '1
Do đó:
U '1
f '1


U1
f1
Khi thay đổi tần số f1 , phải đồng thời thay đổi U1 đưa vào động cơ.
U1
const
Trường hợp f
và tần số giảm có đặc tính cơ trên đồ thị, cách điều chỉnh này có các
đặc tính thích hợp với loại tải cần M C const khi vận tốc thay đổi.

1.2 Giới thiệu về PLC
1.2.1 Khái niệm PLC
PLC viết tắt của programmable logic controller, là thiết bị điều khiển lập trình được cho
phép thực hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển logic thơng qua một ngơn ngữ lập trình.
Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trìnhtự các sự kiện. Các sự kiện này được
kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ
như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm. PLC dùng để thay thế các mạch relay (rơ le)
trong thực tế. PLC hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm. PLC
dùng để thay thế các mạch relay (rơ le) trong thực tế. PLC hoạt động theo phương thức quét
các trạng thái trên đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi. Ngơn
ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic.
1.2.2 Sơ đồ khối cấu trúc cơ bản PLC
PLC là thiết bị điều khiển logic khả trình (Program Logic Control), là loại thiết bị cho
phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thơng qua 1 ngơn ngữ lập trình, thay cho
việc phải thể hiện thuật tốn đó bằng mạch số.Cũng như các thiết bị lập trình khác, hệ thống
lập trình cơ bản của PLC bao gồm 2 phần: khối xử lý trung tâm (CPU) và hệ thống giao tiếp
vào/ra (I/O) như sơ đồ khối:

Hình 1. 3 Cấu trúc cơ bản của PLC

11

- Khối xử lý trung tâm: Là một vi xử lý điều khiển tất cả các hoạt động của PLC
như: Thực hiện chương trình, xử lý vào/ra và truyền thơng với các thiết bị bên ngồi.
- Bộ nhớ:
Có nhiều các bộ nhớ khác nhau dùng để chứa chương trình hệ thống là một phần mềm điều
khiển các hoạt động của hệ thống, sơ đồ LAD, trị số của Timer, Counter được chứa trong vùng
nhớ ứng dụng, tùy theo yêu cầu của người dùng có thể chọn các bộ nhớ khác nhau:
+ Bộ nhớ ROM: là loại bộ nhớ không thay đổi được, bộ nhớ này chỉ nạp được một lần nên ít
được sử dụng phổ biến như các loại bộ nhớ khác.
+Bộ nhớ RAM: là loại bộ nhớ có thể thay đổi được và dùng để chứa các chương trình ứng
dụng cũng như dữ liệu, dử liệu chứa trong Ram sẽ bị mất khi mất điện. Tuy nhiên, điều này có
thể khắc phục bằng cách dùng Pin.
+Bộ nhớ EPROM: Giống như ROM, nguồn nuôi cho EPROM không cần dùng Pin, tuy nhiên
nội dung chứa trong nó có thể xố bằng cách chiếu tia cực tím vào một cửa sổ nhỏ trên
EPROM và sau đó nạp lại nội dung bằng máy nạp.
+Bộ nhớ EEPROM: kết hợp hai ưu điểm của RAM và EPROM, loại này có thể xóa và nạp
bằng tín hiệu điện. Tuy nhiên số lần nạp cũng có giới hạn.
Một PLC có đầy đủ các chức năng như: bộ đếm, bộ định thời, các thanh ghi (registers) và tập
lệnh cho phép thực hiện các yêu cầu điều khiển phức tạp khác nhau. Hoạt động của PLC hoàn
toàn phụ thuộc vào chương trình nằm trong bộ nhớ, nó ln cập nhật tín hiệu ngõ vào, xử lý
tín hiệu để điều khiển ngõ ra.
Bên cạnh đó, một bộ PLC hồn chỉnh cịn đi kèm thêm một đơn vị lập trình bằng tay hay bằng
máy tính. Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM để chứa đựng chương trình
dưới dạng hồn thiện hay bổ sung. Nếu đơn vị lập trình là đơn vị xách tay, RAM thường là loại
CMOS có pin dự phịng, chỉ khi nào chương trình đã được kiểm tra và sẵn sàng sử dụng thì nó
mới truyền sang bộ nhớ PLC. Đối với các PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hỗ trợ
cho việc viết, đọc và kiểm tra chương trình. Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232,
RS422, RS458,… Để đánh giá một bộ PLC người ta dựa vào 2 tiêu chuẩn chính: Dung lượng
bộ nhớ và số tiếp điểm vào/ra của nó. Bên cạnh đó cũng cần chú ý đến các chức năng như: Bộ

vi xử lý, chu kỳ xung clock, ngơn ngữ lập trình, khả năng mở rộng số cổng vào/ra.
Trong hệ thống điều khiển PLC các phần tử nhập tín hiệu như: chuyển mạch, nút ấn, cảm
biến,... được nối với đầu vào của thiết bị PLC.Các phần tử chấp hành như: đèn báo, rơ le, công
tắc tơ,... được nối đến lối ra của PLC tại các đầu nối. Hệ cịn cho phép cơng nhân vận hành
thao tác bằng tay các tiếp điểm, nút dừng khẩn cấp để đảm bảo tính an tồn trong các trường
hợp xảy ra sự cố. Chương trình điều khiển PLC được soạn thảo dưới các dạng cơ bản (sẽ được
trình bày ở phần sau) sẽ được nạp vào bộ nhớ bên trong PLC, sau đó tự động thực hiện tuần tự
theo một chuỗi lệnh điều khiển được xác định trước. PLC được xem như trái tim trong một hệ
thống điều khiển tự động đơn lẻ với chương trình điều khiển được chứa trong bộ nhớ của PLC,
PLC thường xuyên kiểm tra trạng thái của hệ thống thơng qua các tín hiệu hồi tiếp từ thiết bị
vào để từ đó có thể đưa ra những tín hiệu điều khiển tương ứng đến các thiết bị ra. PLC có thể
được sử dụng cho những yêu cầu điều khiển đơn giản và được lập đi lập lại theo chu kỳ, hoặc
liên kết với máy tính chủ khác hoặc máy tính chủ thơng qua một kiểu hệ thống mạng truyền
thông để thực hiện các quá trình xử lý phức tạp.
- Tín hiệu vào
Mức độ thơng minh của một hệ thống điều khiển phụ thuộc chủ yếu vào khả năng của PLC
để đọc được các dữ liệu khác nhau từ các cảm biến cũng như bằng các thiết bị nhập bằng tay.
Tiêu biểu cho các thiết bị nhập bằng tay như: nút ấn, bàn phím và chuyển mạch. Mặt khác, để
đo, kiểm tra chuyển động, áp suất, lưu lượng chất lỏng ,... PLC phải nhận các tín hiệu từ các
cảm biến. Ví dụ: tiếp điểm hành trình, cảm biến quang điện,...tín hiệu đưa vào PLC có thể là
tín hiệu số (digital) hoặc tín hiệu tương tự (analog).


- Đối tượng điều khiển
Một hệ thống điều khiển sẽ khơng có ý nghĩa thực tế nếu khơng giao tiếp được với thiết bị
ngồi, các thiết bị ngồi thơng dụng như: môtơ, van, rơle, đèn báo, chuông điện,...cũng giống
như thiết bị vào, các thiết bị ngoài được nối đến các cổng ra củamodul ra (output). Các modul
ra này có thể là DO (Digital Output) hoặc AO (ra tương tự).
1.2.3 Ngôn ngữ lập trình của PLC
Ngơn ngữ lập trình của PLC bao gồm một số ngơn ngữ:

-Ngơn ngữ lập trình LAD (Ladder logic).
-Ngơn ngữ lập trình FBD (Function Block Diagram).
-Ngơn ngữ lập trình STL (Statement List).
-Ngơn ngữ lập trình SCL (Structured Text).
-Ngơn ngữ lập trình SFC (Sequential Function Chart).
a) Ngơn ngữ lập trình LAD

LAD là một ngơn ngữ lập trình kiểu đồ họa. Sự hiển thị được dựa trên các sơ đồ mạch
điện.Các phần tử của một sơ đồ mạch điện, như các tiếp điểm thường đóng hay thường mở, và
các cuộn dây được nối với nhau để tạo thành các mạng. Để tạo ra sơ đồ logic cho các thực thi
phức tạp, ta có thể chèn vào các nhánh để tạo ra các mạch logic song song. Các nhánh song
song được mở ra theo hướng xuống hay được kết nối trực tiếp đến thanh dẫn tín hiệu. Ta kết
thúc các nhánh theo hướng lên trên.
b) Ngơn ngữ lập trình FBD

Giống như ngôn ngữ LAD, ngôn ngữ FBD cũng là một ngơn ngữ lập trình kiểu đồ họa.
Sự hiển thị của mạch logic được dựa trên các biểu tượng logic đồ họa sử dụng trong đại số
Boolean.
Các hàm toán học và các hàm phức khác có thể được thể hiện một cách trực tiếp trong sự kết
hợp với các hộp logic. Để tạo ra logic cho các vận hành phức tạp, ta chèn các nhánh song song
giữa các hộp.
c) Ngôn ngữ lập trình STL

Là phương pháp thể hiện chương trình dưới dạng tập hợp các câu lệnh. Để tạo ra một
chương trình bằng STL, người lập trình cần phải hiểu rõ phương thức sử dụng bit trong ngăn
xếp (stack) logic của PLC.
d) Ngơn ngữ lập trình SCL

Ở Việt Nam được gọi với tên là ngôn ngữ kiểu cấu trúc. Siemens gọi ngôn ngữ này
là SCL. Đây là một ngôn ngữ cấp cao rất mạnh mẽ dùng cho PLC, có nguồn gốc từ Pascal và

“C”. Nó có thể được sử dụng để định nghĩa các khối chức năng phức tạp, có thể được sử
dụng lồng ghép trong các ngơn ngữ khác. Vì là ngôn ngữ cấp cao nên SCL rất trực quan và
dễ hiểu.
e) Ngơn ngữ lập trình SFC


Ở Việt Nam gọi là kiểu lập trình lưu đồ tuần tự. Siemens gọi là ngôn ngữ SFC hoặc Graph.
đây là một kiểu lập trình dạng đồ họa mạnh mẽ để mô tả các trạng thái tuần tự của một chương
trình điều khiển.
1.2.4 Tổ chức chương trình của PLC
Gồm có 3 phần chính: Chương trình chính, chương trình con, ngắt. Trong đó:
- Chương trình chính : Thực hiện theo chu kỳ, một lần quét sẽ thực hiện 1 lần.
-Chương trình con: Thực hiện khi chương trinh chính có lệnh gọi để thực hiện 1
u cầu nào đó của bài tốn.
-Ngắt: Được thực hiện mỗi lần khi có sự gián đoạn xảy ra.
1.2.5 Ưu điểm và nhược điểm của PLC
a) Ưu điểm.
- Sự ra đời của hệ điều khiển PLC đã làm thay đổi hẳn hệ thống điều khiển cũng
như các khái niệm thiết kế về chúng, hệ điều khiển dùng PLC có những ưu điểm sau:
- Giảm đến 80% số lượng dây nối.
- Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp.
- Khả năng tự chuẩn đốn do đó giúp cho việc sửa chữa được nhanh chóng.
- Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình, khi khơng có các
u cầu thay đổi các đầu vào ra thì khơng cần phải nâng cấp phần cứng
- Giảm thiểu số lượng rơle và timer so với hệ điều khiển cổ điển.
- Không hạn chế số lượng tiếp điểm sử dụng trong chương trình.
- Thời gian để một chu trình điều khiển hoàn thành chỉ mất vài ms, điều này
làm tăng tốc độ và năng suất PLC.
- Chức năng lập trình dễ dàng, ngơn ngữ lập trình dễ hiểu, dễ học.
- Chương trình điều khiển có thể được in ra giấy chỉ trong thời gian ngắn giúp

thuận tiện cho vấn đề bảo trì và sửa chữa hệ thống.
- Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng bảo quản, sửa chữa.
- Dung lượng chương trình lớn để có thể chứa được nhiều chương trình phức tạp.
- Hồn tồn tin cậy trong mơi trường công nghiệp.
- Dễ dàng kết nối được với các thiết bị thơng minh khác như: máy tính, kết nối
mạng Internet, các Module mở rộng.
- Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ.
- Giá bán cạnh tranh.
- Đặc trưng của tất cả các dịng PLC bất kì là khả năng có thể lập trình được, chỉ
số IP ở dải quy định cho phép PLC hoạt động trong môi trường khắc nghiệt công nghiệp,
yếu tố bền vững thích nghi, độ tin cậy, tỉ lệ hư hỏng rất thấp, thay thế và hiệu chỉnh
chương trình dễ dàng, khả năng nâng cấp các thiết bị ngoại vi hay mở rộng số lượng đầu
vào nhập và đầu ra xuất được đáp ứng tuỳ nghi trong khả năng trên có thể xem là các tiêu


chí đầu tiên cho chúng ta khi nghĩ đến thiết kế phần điều khiển trung tâm cho một hệ
thống hoạt động tự động.
b) Nhược điểm.

- Địi hỏi người dùng có khả năng và trình độ chun mơn cao.
- Giá thành cao.
- Khi hỏng khả năng sửa chữa khó.
1.2.6 Ứng dụng của PLC
PLC được ứng dụng rộng khắp không chỉ trong dân dụng mà cả trong công nghiệp, từ các
thiết bị máy móc đến các dây chuyền sản xuất, PLC thực sự không thể thiếu cho các tủ điều
khiển. PLC thường được đặt ở trung tâm điều khiển (thường những CPU “trâu bò” như PLC
S7 300, PLC S7 400), hoặc các PLC ở cấp thấp hơn, tùy thuộc vào quy mô dự án. Trong các hệ
Scanda, đặc biệt là DCS thường dùng các Module thu thập dữ liệu từ xa (hay đặt ở cấp trường
để thu thập các tín hiệu IO và điều khiển). Ngày nay cơng nghiệp phát triển địi hỏi các bộ PLC
không ngừng nâng cấp và truyền thông giữa các bộ điều khiển, từ bộ điều khiển xuống cấp

trường, từ cấp trên xuống PLC… được đặt lên hàng đầu. Các chuẩn truyền thơng cơng nghiệp
từ đó ngày càng rộng rãi và xuất hiện nhiều chuẩn mới ưu việt.
1.2.7 Một số loại PLC thông dụng.
a) Theo hãng sản suất.
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều hãng sản xuất PLC, mỗi hãng lại có nhiều dịng khác
nhau. Đầu tiên phải kể đến Siemens của Đức với các dòng mới hiện nay là S7- 1200, S7-1500
thay thế cho một số dịng cũ là S7-200 và S7-300. Nói đến PLC Siemens làphải nói đến giá cả
cao và phần mềm lập trình rất nặng, tuy nhiên bù lại độ ổn định cao cũng như hỗ trợ của hãng
cũng như cộng đồng người sử dụng nhiều, hãng Siemens thường được sử dụng nhiều cho máy
móc cao cấp hoặc hệ thống tự động hóa lớn.
Nguyên nhân quan trọng khiến tại Việt Nam nhiều người sử dụng Siemens đó là do hãng
xâm nhập vào thị trường Việt Nam tương đối sớm. Một hãng PLC khác cũng khá phổ biến đó
chính là Mitsubishi của Nhật Bản.Một số dòng đang phổ biến hiện nay của Mitsu như FX-3U,
FX-5U hay FX-3G thay thế cho một số dòng cũ như FX-1N và FX-2N. PLC Mitsu thì có giá
thành mềm hơn có thể ứng dụng cho một số loại máy móc cơng cụ hoạt động độc lập. Sự
phổ biến của PLC Mitsu tại Việt Nam là do theo máy nhập về từ Nhật rất nhiều.
Ngồi ra trên thị trường cịn có một số hãng PLC khác như là Omron, Delta, Panasonic,
Keyence cũng hướng dẫn một số ứng dụng cho máy móc dây chuyền.
Theo version.
+PLC Siemens có các họ như S7-200, S7-300, S7-400, S7-1200…
b)

Hình 1.4 PLC dịng Sieme


+Misubishi có các họ như Alpha, Fx, Fx0, Fx0N, Fx1N, Fx2N, FX3

Hình 1. 5 PLC dịng Misubishi

1.3 Tìm hiểu về biến tần( Inverter)

1.3.1 Khái niệm về biến tần.
Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay
chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được.
Nói cách khác:
Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động cơ và thơng
qua đó có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp, khơng cần dùng đến các hộp số cơ
khí. Biến tần thường sử dụng các linh kiện bán dẫn để đóng ngắt tuần tự các cuộn dây của
động cơ để làm sinh ra từ trường xoay làm quay rô-to (rotor).Bộ biến tần thường được sử dụng
để điều khiển vận tốc động cơ xoay chiều theo phương ph áp điều khiển tần số, theo đó tần số
của lưới nguồn sẽ thay đổi thành tần số biến thiên.
1.3.2 Nguyên lý hoạt động.
Nguồn điện xoay chiều một pha hay ba pha được chỉnh lưu, sau đó lọc thành nguồn
điện một chiều bằng phẳng nhờ tụ điện và bộ chỉnh lưu cầu diode. Nhờ vậy, cos(ɣ) hệ số cơng
suất biến tần có giá trị khơng phụ thuộc vào tải và có Min=0.96.
Tiếp đến, điện áp một chiều được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều ba pha đối
xứng, thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng cách điều chế độ rộng
xung (PWM). Nhờ công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực rất phát triển hiện nay, tần số
chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm
tổn thất trên lõi sắt động cơ.


Điện áp xoay chiều ba pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ
theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tuỳ theo
chế độ điều khiển. Đối với tải có moment không đổi, tỉ số giữa điện áp và tần số khơng đổi.

Hình 1. 6 sơ đồ chi tiết mạch điện của biến tần

Hình 1. 7 Dạng sóng điện áp và dòng điện đầu ra biến tần

Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4. Điện áp là hàm bậc 4 của tần số.

Điều này tạo ra đặc tính moment là hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm quạt vì moment cũng là hàm bậc hai của điện áp.


Hiệu suất chuyển đổi nguồn của biến tần rất cao vì sử dụng linh kiện bán dẫn cơng suất, sản
xuất bởi công nghệ tiên tiến, giúp năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ
thống.
1.3.3 Một số loại biến tần thơng dụng trong cơng nghiệp
Có rất nhiều loại máy biến tần khác nhau do nhà sản xuất ra với nhiều tính năng khác
nhau, một số loại thơng dụng thường được sử dụng nhất bởi tính năng và sự phổ biến của nó.
a) Biến tần DC
Biến tần DC có chức năng kiểm sốt sự rẽ nhánh của các động cơ điện một chiều và
chia phần cảm ứng điện và mạch rẽ nhánh. Thiết kế này của động cơ điện một chiều phân chia
phần cảm ứng điện và mạch rẽ nhánh. Biến tần DC có thể thay đổi điện áp đầu vào. Biến tần
có thể thay đổi điện áp đầu vào (VVI) là các loại biến tần đơn giản nhất. Với loại này, các thiết
bị chuyển mạch đầu ra tạo ra một sóng sin mới cho điện áp của động cơ điện bằng cách nhập
một loạt các sóng vuông ở các điện áp khác nhau. Các biến tần loại này thường làm việc với sự
hỗ trợ của một tụ điện lớn.

Hình 1. 8 Biến tần DC

b) Biến tần AC.
Máy biến tần AC, chúng được sử dụng để giúp động cơ cảm ứng điện từ dùng dòng điện
xoay chiều hoạt động với nhiều tốc độ khác nhau. Nhờ được thiết kế để điều khiển các loại xe
cộ chạy bằng các dòng điện xoay chiều. Đây là loại máy biến tần thơng dụng nhất.
Biến tần VVI.
Biến tần có thể thay đổi điện áp đầu vào (VVI) có cấu tạo đơn giản nhất trong tất cả các
loại biến tần. Chúng hoạt động nhờ các thiết bị chuyển mạch đầu ra tạo ra một sóng sin
mới cho các điện áp của động cơ điện bằng cách nhập các loại sóng vng ở các điện áp khác
nhau và thường làm việc nhờ sự hỗ trợ của các tụ điện lớn.
d)

Biến tần nguồn điện đầu vào (CSI) tương tự với VVI.
Biến tần nguồn điện đầu vào cần bộ đảo lưu lớn để giữ dòng điện luôn ở mức không đổi
và sự khác biệt giữa hai biến tần này là biến tần nguồn điện đầu vào điều khiển để ép dịng
điện sóng vng trở thành dịng đối lập với điện áp.
e)

Hình 1. 9 Biến tần biến đổi nguồn điện đầu vào (CSI).


Biến tần điều chỉnh độ rộng xung (PWM)
Là loại phức tạp nhất cho phép động cơ điện hoạt động hiệu quả hơn.
Biến tần PWM sử dụng các bóng bán dẫn chuyển đổi dòng điện một chiều ở các tần số khác
nhau.
f)

Hình 1. 10 Biến tần biến đổi độ rộng xung.

Mỗi xung chia thành từng phần phản ứng với điện kháng của động cơ điện, tạo ra các dịng
điện thích hợp trong động cơ điện của máy móc.
f)Biến tần vector dịng.
Biến tần loại mới nhất, sử dụng một loại hệ thống điều khiển thường được kết hợp rất
chặt chẽ với động cơ điện một chiều.
Biến tần có một bộ vi xử lý được kết nối với động cơ điện thông qua một vịng điều khiển kín
và cho phép bộ xử lý có thể kiểm sốt chặt chẽ hơn hoạt động của động cơ điện.Với những
thông tin cơ bản trên sử dụng máy biến tần loại nào cho hợp lý thì tùy thuộc vào mục đích và
yêu cầu của người sử dụng.