điều khiển tốc độ động cơ sử dụng HSC PID plc s7 1200

BÀI TẬP LỚN PLC

NHÓM 1

Page 1


BÀI TẬP LỚN PLC

MỤC LỤC
Chương 1: Cơ sở lý thuyết
1.1 Mục đích của đề tài .............................................................................4
1.2 Phương pháp đo tốc độ động cơ bằng
phương pháp quang điện tử.....................................................................5
Chương 2 : Thiết kế hệ thống
2.1 .Lựa chọn thiết bị ....................................................................................6
2.2. Xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ đấu dây.......................................................8
Chương 3: Giới thiệu về s7-1200
3.1 Hình dạng bên ngoài.................................................................................10
3.2 Cấu trúc bên trong....................................................................................10
3.3 Các khối chương trình nâng cao..............................................................29
3.4 Giới thiệu phần mềm về phần mềm lập trình
TIA Protal STEP7 basic .............................................................................29
Chương 4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của enconder, HSC
4.1 Tổng quan về enconder.............................................................................32
4.2 Phân loại enconder....................................................................................33
4.3 Bộ đếm xung tốc độ cao HSC...................................................................34
Chương 5: Lưu đồ thuật toán và chương trình điều khiển
5.1 Lưu đồ thuật toán......................................................................................35
5.2 Chương trình điều khiển...........................................................................36

NHÓM 1

Page 2


BÀI TẬP LỚN PLC

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên
tiến của thế giới, chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại
hơn.
Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các
đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những yếu tố
rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả ngày càng cao
hơn.
Tự động hóa đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ. Tự động hóa
đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau
cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày. Một trong
những sản phẩm tiên tiến của nó là PLC. Ứng dụng rất quan trọng của ngành
công nghệ tự động hóa là việc điều khiển, giá sát các hệ thống với những thiết bị
điều khiển từ xa rất tinh vi và đạt được năng suất, kinh tế thật cao .
Xuất phát từ những ứng dụng đó, chúng em xin phép được thiết kế một
mạch ứng dụng của PLC, biến tần đó là “Ứng dụng PLC đo, điều khiển ổn
định tốc độ động cơ ” dùng PLC điều khiển biến tần
Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong
khoa điện, cùng các bạn trong lớp Điện 3-K9 đặc biệt là giảng viên Tống Thị Lý
- giảng viên khoa điện trường ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI người đã
trực tiếp giảng dạy và cho em kiến thức để hoàn thành đồ án môn học này. Mong
cô góp để em hoàn thành bài tập lớn này được tốt hơn sau này

NHÓM 1

Page 3


BÀI TẬP LỚN PLC

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Mục đích của đề tài
1.1.1. Mục đích chọn đề tài
Trong công nghiệp nói chung và trong ngành đo lường và điều khiển nói
chung vấn đề đo và điều khiển tốc độ động cơ là một vấn đề quan trọng nó quyết
định việc máy có chạy có ổn định hay không, đúng yêu cầu công nghệ đặt ra hay
không hay có đạt tiêu chuẩn về độ chính xác máy thực hiện hay không. Do vậy
trong ngành đo lường cảm và điều khiển có nhiều phương pháp đo và điều khiển
tốc độ động cơ.

1.1.

Trên cơ sở những kiến thức được trang bị trên ghế nhà trường, dựa vào
những tính năng ưu việt của PLC và biến tần. Em xin được lựa chọn đề tài “
Điều khiển ổn định tốc độ động cơ” .
1.1.2. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là điều khiển và cảnh báo tốc độ trên động cơ ở một
ngưỡng đặt trước thông qua sự điều khiển của PLC đối với biến tần, động cơ
sẽ thay đổi tốc độ dựa trên tín hiệu mà cảm biến encoder đưa về .
1.1.3. Giới hạn nghiên cứu của đề tài
Do kiến thức, thời gian, kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên đề tài chỉ
được thực hiện dưới dạng thiết kế một mô hình động cơ công suất nhỏ và
encoder 100 xung/vòng

1.1.4. Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài
Điều khiển tự động là xu thế phát triển tất yếu trong các lĩnh vực công
nghiệp cũng như sinh hoạt bởi những ưu điểm vượt trội của nó. Ở các hệ thống
điều khiển tự động có quy mô vừa và lớn thì PLC được sử dụng làm thiết bị
điều khiển cho toàn hệ thống.
Kết hợp xây dựng một hệ thống điều khiển tự động với các thiết bị điện
tử công suất có ý nghĩa khoa học lớn trong việc xây dựng một hệ thống tự
động hoàn chỉnh cả về chức năng lẫn hiệu quả kinh tế. Đề tài “Ứng dụng PLC
NHÓM 1

Page 4


BÀI TẬP LỚN PLC

điều khiển và ổn định tốc độ động cơ” xây dựng mô hình kết hợp PLC với
biến tần để điều khiển tốc độ động cơ một cách tối ưu nhất.
Về mặt thực tiễn, đề tài đi theo hướng phát triển mới cho các hệ thống đo
và điều khiển tốc độ động cơ . Thay thế cho các dạng đo và điều khiển tốc độ
động cơ theo các phương pháp đã coi là nỗi thời.
Phương pháp đo tốc độ động cơ bằng phương pháp quang điện tử
* Dùng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa (Encoder)
1.2

Encoder là thiết bị có thể phát hiện sự chuyển động hay vị trí của vật, Encoder sử
dụng các cảm biến quang để sinh ra chuỗi xung , từ đó chuyển sang phát hiện sự
chuyển động, vị trí hay hướng chuyển động của vật thể.

Hình 1.2 Sơ đồ hoạt động của Encodor
Nguồn sáng được lắp đặt sao cho ánh sang liên tục được tập trung xuyên qua đĩa,

bộ phận thu nhận ánh sáng được lắp đặt ở mặt còn lại của đĩa sao cho có thể
nhận được ánh sáng, đĩa được lắp đặt trên trục của động cơ hay thiết bị khác cần
xác định vị trí sao cho khi trục quay thì tín hiệu xung vuông được sinh ra.
Việc đếm các xung được sinh ra ta có thể xác định được tốc độ của động cơ.

NHÓM 1

Page 5


BÀI TẬP LỚN PLC

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
2.1 Lựa chọn thiết bị.
2.1.1 Encoder

Hình 2.1 Encoder LS Mecapion (Metronix) H40 100xung /vòng
Loại : Encoder LS Mecapion (Metronix) H40 100xung /vòng
Nguồn cung cấp 5-24VDC / DC
Độ phân giải : từ 512 đến 3000 xung / vòng
Ngõ ra : Transistor cực thu hở, điện áp, Line driver
Tần số đáp ứng tối đa : 300KHz
2.1.2 .Biến tần V20

NHÓM 1

Page 6


BÀI TẬP LỚN PLC

Thông số kỹ thuật của biến tần Siemens V20
Tên
Sinamics V20
Dây công suất biến tần V20
Từ 0,12kw đến 22kw
Cấp điện áp biến tần V20
1 pha x 200...240V ()
3 pha x 380....480V (-15%....+10%)
Phạm vi điều chỉnh biến tần
Từ 0Hz đến 599Hz
Chế độ điều khiển
V/f, V2/f
Tần số điều chế
4kHz (lên đến 16kHz)
Điều khiển hồi tiếp PID
Có khả năng giao diện
USS, modbus RTU
Giao diện bên ngoài biến tần V20
Với máy tính qua cổng USB, BOP2, SD Card
Phần mềm cài đặt thông số cà chuẩn
đoán lỗi
Các đầu vào ra

•
•
•
•
•
•

4 đầu vào số
2 đầu vào tương tự
2 đầu ra tương tự
1 cổng RS485
3 đầu ra role
15 cấp tần số cố định

2.1.3 Động cơ không đồng bộ 3 pha lồng sóc

Hình 2.4 Động cơ không đồng bộ 3 pha lồng sóc

NHÓM 1

Page 7


BÀI TẬP LỚN PLC

•
•
•
•
•
•
•

Công suất định mức : Pđm = 11kW
Điện áp định mức : Uđm = 380/220
Tổ đấu dây : Y/ Δ

Tần số làm việc : f = 50Hz
Số đôi cực : 2p = 2
Hệ số cos φđm = 0.92
Hiệu suất động cơ ηđm = 0.875

2.2. Xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ đấu dây.
2.2.1. Sơ đồ khối.

Hình 2.2 Sơ đồ khối đo điều khiển tốc độ động cơ sử dụng PLC S7 1200
2.2.2 .Sơ đồ đấu dây

NHÓM 1

Page 8


BÀI TẬP LỚN PLC

NHÓM 1

Page 9


BÀI TẬP LỚN PLC

CHƯƠNG 3 :Giới thiệu về s7-1200
3.1Hình dạng bên ngoài.

Để viết chương trình điều khiển đèn giao thông ta có thể viết trên nhiều hệ ngôn
ngữ khác nhau. Nhưng với những điểm ưu việt vượt trội của s7-1200, như là sự

tiếp nối phát triển của S7-200 – bộ điều khiển đã quen thuộc với người sử dụng.
Với thiết kế theo dạng module, tính năng cao, SIMATIC S7-1200 thích hợp với
nhiều ứng dụng tự động hóa khác nhau, cấp độ từ nhỏ đến trung bình. Đặc điểm
nổi bật là S7-1200 được tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet (Ethernet), sử
dụng chung một phần mềm Simatic Step 7 Basic cho việc lập trình PLC và các
màn hình HMI. Điều này giúp cho việc thiết kế, lập trình, thi công hệ thống điều
khiển
được
nhanh
chóng,
đơn
giản.
Bên cạnh CPU S7-1200 và phần mềm lập trình mới, một dải sản phẩm các màn
hình HMI mới dùng cho PLC S7-1200 cũng được giới thiệu. Tất cả cùng tạo ra
một giải pháp tích hợp, thống nhất cho thị trường tự động hóa cỡ nhỏ (Micro
Automation).
S7-1200 bao gồm các họ CPU 1211C, 1212C, 1214C. Mỗi loại CPU có đặc
điểm và tính năng khác nhau, thích hợp cho từng ứng dụng của khách hang
NHÓM 1

Page 10


BÀI TẬP LỚN PLC

3.2. Cấu trúc bên trong:
Cũng giống như các PLC cùng họ khác, PLC s7-1200 gồm 4 bộ phận cơ bản: bộ
xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất – nhập.
-Bộ xử lý còn được gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU) chứa bộ vi xử lý, biên dịch
các tín hiệu nhập, và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được

lưu trong bộ nhớ PLC, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến
các thiết bị xuất
-Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC 24V cần thiết
cho bộ xử lý và các mạch điện trong các modune giao tiếp nhập và xuất hoạt
động
-Bộ nhớ là nơi lưu giữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển
dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý.
-Các thành phần nhập và xuất(input-output) là nơi bộ nhớ nhận thông tin từ các
thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điều khiển. Tín hiệu nhập có
thể từ các công tắc, các bộ cảm biến…Các thiết bị xuất có thể là các cuộn dây
cảu bộ khởi động động cơ, các van solenoid.
-Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ nhờ sự trợ giúp của bộ lập trình
hay bằng máy vi tính .

3.2.1.Đấu dây
Ở đây chọn CPU 1212C, để trình bày đấu dây tiêu biểu:
Chúng ta có thể cung cấp nguồn 24VDC hay 100 – 230VAC cho PLC và
các thông số điện áp được thể hiện trong hình

NHÓM 1

Page 11


BÀI TẬP LỚN PLC

Nguồn cung cấp cho PLC là 100-230VAC với tần số từ 47Hz – 63Hz. Điện
áp có thể thay đổi trong khoản từ 85V – 264V. Ở 264V dòng điện tiêu thụ là
20A.
Nguồn cung cấp là 24VAC. Điện áp có thể tháy đổi trong khoảng20.4V –

28.8V dong tiêu thụ 20A.
Các ngõ vào được tác động ở mức điện thế tiêu biểu là 24VDC. Các ngõ ra
của PLC ở mức 0 khi công tắc hở hay điện áp <= 5VDC. Ngõ vào ở mức 1
khi công tắc đóng hay điện áp => 15VDC. Thời gian đổi trạng thái từ “0” lên
“1” và từ “1” xuống “0” tối thiểu là 0.1us để PLC nhận biết được
Các ngõ ra có thể là 5VDC – 30VDC hay 5VAC – 250VAC. Tùy theo cầu
thực tế mà ta có thể nối nguồn khác nhau để phù hợp với ứng dụng của nó.
3.2.2Module mở rộng.

NHÓM 1

Page 12


BÀI TẬP LỚN PLC

Họ PLC s7-1200 cung cấp nhiều nhất 8 module tín hiệhgu đa dạng và một
mạch tín hiệu cho bộ xử lý có khả năng mở rộng. ngoài ra bạn có thể cài đặt
them 3 module giao tiếp nhờ vào các giao thức truyề thông.
3.2.3Phương phấp lập chương trình điều khiển.
Khác với phương pháp điều khiển cứng, trong hệ thống điều khiển lập trình,
cấu trúc bộ điều khiển và cách đấu dây độc lập với chương trình.
Chương trình định nghĩa hoạt động điều khiển được viết nhờ sự giúp đỡ của 1
máy tính.
Để thay đổi tiến trình điều khiển, chỉ cần thay đổi nội dung bộ nhớ điều khiển,
chứ không cần thay đổi cách nối dây ben ngoài. Qua đó ta thấy được ưu điểm
của phương pháp điều khiển lập trình được so với phương pháp điều khiển phần
cứng. Do đó phương pháp này được sử dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực điều
khiển vì nó rất mềm dẻo.
Phương pháp điều khiển lập trình được thực hiện theo các bước sau:

NHÓM 1

Page 13


BÀI TẬP LỚN PLC

3.2.4Các ngôn ngữ lập trình.
3.1.3ngoon ngữ lập trình LAD (ladder logic)

Chương trình LAD bao gồm cột dọc biểu diễn nguồn điện logic cùng với các
kí hiệu công tắc logic tạo thành một nhánh mách điện logic nằm ngang.Ở hình
bên, logic điều khiển được được biểu diễn bằng 2 công tắc thường đóng và một
ngoc ra relay logic.
Các kí hiệu công tắc trên được dung để xây dựng lên bất kì mạch logic nào: sự
kết hợp nhiều mạch logic có thể biểu diễn mạch điều khiển cho một ứng dụng có
NHÓM 1

Page 14


BÀI TẬP LỚN PLC

logic điều khiển phức tạp. ĐIều cần thiết cho công việc thiết kế chương trình
ladder là lập tài liệu về hệ thống mà mô tả hoạt động của chúng để người sử
dụng hiểu được mạch ladder một cách nhanh chóng và chính xác.
Các quy ước của ngôn ngữ lập trình LAD:
•

Các đường dọc trên sơ đồ biểu diễn đường công suất, các mạch được kết
nối với đường dây này

•

Mỗi lấc thang (thanh ngang) xác định một hoạt động trong quá trình điều
khiển.

•

Sơ đồ thang được đọc từ trái sáng phải và từ trên xuống. Lấc ở đỉnh than
được đọc từ trái sang phải lấc thức 2 tính từ trên xuống cũng đọc tương
tự… Khi ở chế đọ hoạt động, PLC sẽ đi từ đầu đến cuối chương trình thang
sau đó lặp đi lặp lại nhiều lần. Quá trình lần lượt đi qua tất cả các nấc thang
gọi là chu trình quét.

•

Mỗi nấc thang bắt đầu với một hoặc nhiều ngõ vào và kết thúc với ít nhất
một ngõ ra.

•

Các thiết bị điện được trình bày ở điều kiện chuẩn của chúng. Vì vậy, công
tắc thường hở được trình bày ở sơ đồ thang ở trạng thái hở,. Công tắc
thường đóng đước trình bày ở trạng thái đóng.

•

Thiết bị bất kì có thể xuất hiện trên nhiều nấc thang. Có thể có một role

đóng một hoặc nhiều thiết bị.

•

Các ngõ vào và ra được nhận biết theo địa chỉ của chúng. Kí hiệu tùy hteo
nhà sản xuất quy định.

Các phần tử lập trình thường dùng:
Các lệnh logic:

NHÓM 1

Page 15


BÀI TẬP LỚN PLC

Các lệnh timers:

Các lệnh sánh:

Các lệnh counter:

Các lệnh toán học:

NHÓM 1

Page 16

BÀI TẬP LỚN PLC

Các lệnh chuyển đổi:

3.2.5Tập lệnh của PLC S7-1200
a. Các lệnh cơ bản :

NHÓM 1

Page 17


BÀI TẬP LỚN PLC

6.1. các lệnh về bit
6.1.1. Công tắc:
Công tắc thường hở (Normally open, viết tắc là NO) vá công tắc thường
đóng (Normally Closed, viết tắc là NC). Đối với PLC, mỗi công tắc đại diện cho
trạng thái một bit trong bộ nhớ dữ liệu hay vùng ảnh của các đầu vào, ra. Công
tắc thường hở (ON - nghĩa là cho dòng điện đi qua) khi bit bẳng 1 còn công tắc
thường đóng (ON - nghĩa là không cho dòng điện đi qua) khi bit bằng 0.
Trong LAD, các lệnh này biểu diễn bẳng chính các công tắc thường hở và
thường đóng. Trong FBD, các công tắc thường hở được biểu diễn như các đầu
vòa hoặc ra của các khối chức nảng AND, OR hoặc XOR. Công tắc thường đóng
được biểu diễn them dấu đảo(vòng tròn nhỏ) ở đầu vào tương ứng.
Các ví dụ minh họa:
Ladder(LAD):
Công tắc thường hở:

Q0.0 on thảo mãn điều kiện:

+ I0.0 và I0.1 cùng on
+ I0.2 on
10.1.2. Lệnh đào bit, lệnh sườn:
10.1.2.1. Lệnh đảo
NHÓM 1

Page 18


BÀI TẬP LỚN PLC

Lệnh đảo thay đổi dòng năng lượng. Nếu dòng năng lượng gặp lệnh này, nó
sẽ bị chặn lại. Ngược lại nếu phía trước lệnh này không có dòng năng lượng, nó
sẽ trở thành nguồn cung cấp dòng năng lượng. Trong LAD, lệnh này được biểu
diễn như một công tắc. Trong FBD, lệnh đảo không có biểu tượng riêng. Nó
được tích hợp như là đầu vào của những khối chức năng khác(với một vòng tròn
nhỏ ở đầu vào của các khối chức năng đó). Trong STL, lệnh này đảo giá trị của
đỉnh ngăn xếp: 0 thành 1 và 1 thành 0. Lệnh này không có toán hạng.

LAD:

LAD:

3.2.5.1. lệnh sườn.
Đều thuộc nhóm lệnh công tắc, ghi nhận trạng thái các bit dữ liệu(0 hay 1)
quen thuộc với khái niệm “mức”. Các lệnh về sườn ghi nhận không phải mức
đơn thuần mà là sự biến đổi mức. Lệnh sườn dương (Positive Transition) cho
dòng năng lượng đi qua trong khoảng thời gian bằng thời gian một vòng quét khi
ở đầu vào của nó có sự thay đổi mức từ 0 lên 1. Lệnh sườn âm (Negative
Transition) cho dòng nâng lượng đi qua trong khoảng thời gian bằng thời gian

một vòng quét khi đầu vào của nó có sự thay đổi mức từ 1 xuống 0.

NHÓM 1

Page 19


BÀI TẬP LỚN PLC

Trong LAD, các lệnh này được biểu diễn cũng như các công tắc.
Trong FDB, các lệnh này được biểu diễn bẳng các khối chức năng
Tham số:

ví dụ:

3.2.5.2P_TRG và N_TRIG:

Các thông số của lệnh:

NHÓM 1

Page 20


BÀI TẬP LỚN PLC

3.2.5.3 COIL (côn dây)
LAD:
Giống như môt cuộn dây của rơle

3.2.5.2 Lệnh định thời
-TP: Bộ đếm thời gian Pulse tạo ra một xung có độ rộng với thời gian được
đặt trước.
-TON(On-Delay Timer): Bộ đóng trễ.
-TOF(OFF-Delay Timer): Bộ ngắt trễ.
-TONF(Rete/7f/Ve On-Delay Timer): Bộ đóng trễ có nhớ.
3.2.5.2.1 TP

NHÓM 1

Page 21


BÀI TẬP LỚN PLC

Thông số:

3.2.5.2.2 lệnh TON

3.2.5.2.3 TONR
NHÓM 1

Page 22


BÀI TẬP LỚN PLC

Thông số:

3.2.5.3 Lệnh đếm (counter)

NHÓM 1

Page 23


BÀI TẬP LỚN PLC

3.2.5.4 lệnh đếm xuống (counter down)

Thông số:

NHÓM 1

Page 24


BÀI TẬP LỚN PLC

3.2.5.4 Bộ đếm lên/ xuống (counter up/donw)

Thông số:

NHÓM 1

Page 25