Giới hạn của tiểu luận 2
Do thời gian hạn chế, tiểu luận chỉ trình bày lý thuyết mà chưa áp dụng vào thực tiễn Nội dung chủ yếu tập trung vào việc giới thiệu các ứng dụng và giải pháp thực tế.
Tổng quan hệ thống HMI – PLC- INVERTER 1: INVERTER
Tổng quan về bộ biến đổi tần số (INVERTER ) 3
Bộ biến đổi tần số, hay còn gọi là bộ biến tần, là thiết bị chuyển đổi dòng điện xoay chiều từ tần số này sang tần số khác một cách linh hoạt Đặc biệt, các bộ biến tần dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều không chỉ thay đổi tần số mà còn điều chỉnh điện áp đầu ra khác với điện áp đầu vào Việc phân loại biến tần cũng rất quan trọng trong ứng dụng thực tế.
Bộ biến tần được chia làm 2 nhóm : Biến tần máy điện và Biến tần van
Nguyên lý chung của nhóm này là dùng máy phát điện xoay chiều làm nguồn điện có tần số thay đổi
Hình 2.1 Biến tần máy điện
Việc sử dụng cũng như điều khiển loại rất phức tạp vì phải sử dụng nhiều loại máy điện
Diện tích lắp đặt lớn ,hiệu suất làm việc thấp ,gây ồn ,nền móng phải kiên cố nên giá thành cao.
Biến tần van hoạt động dựa trên việc sử dụng các tín hiệu điều khiển để điều chỉnh trạng thái mở hoặc đóng của các van, thường là Tiristor hoặc Transistor Chức năng chính của nó là biến đổi năng lượng điện xoay chiều từ tần số này sang tần số khác Biến tần van được phân loại thành hai loại khác nhau.
Hình 2.2 Sơ đồ khối biến tần van
Biến tần van được sử dụng phổ biến nhờ vào nhiều ưu điểm nổi bật như kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, độ ồn thấp, hệ số khuếch đại công suất lớn và hiệu suất cao Loại biến tần này hoạt động bằng cách chuyển đổi điện áp xoay chiều ban đầu thành điện áp một chiều thông qua mạch chỉnh lưu, sau đó qua bộ lọc và nghịch lưu lại thành điện áp xoay chiều với tần số f2 Điện áp đầu ra có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi góc thông của các van trong nhóm chỉnh lưu hoặc điều chế độ rộng xung.
Ứng dụng chung của biến tần 4
Biến tần hiện nay đã trở thành một phần thiết yếu trong hầu hết các dây chuyền tự động, nhờ vào những tính năng nổi bật như cải thiện chế độ điều khiển, ổn định tốc độ động cơ, và thay đổi tốc độ dễ dàng Nó còn cung cấp khả năng bảo vệ quá dòng, thấp áp, quá áp, ngắn mạch, và chạm đất, đồng thời giảm mỏi cơ khí và tiết kiệm điện năng Với những ưu điểm này, biến tần đã được ứng dụng rộng rãi trong các ngành như xi măng, thang máy, cầu trục, trạm cấp nước, băng tải, và buồng trộn.
Một trong những hãng đi đầu cho việc điều khiển chuyển động đó là SIEMENS
Hãng đã phát triển nhiều dải công suất và tính năng đặc biệt để đáp ứng đa dạng ứng dụng thực tế Trong số đó, nhóm đã lựa chọn dòng sản phẩm MICROMASTER 420 để khảo sát và ứng dụng.
1.3 Khảo sát dòng biến tần MicroMaster 420 (MM420 ) của SIEMENS
Biến tần MicroMaster 420 của SIEMENS là thiết bị cỡ trung, có công suất từ 0.37 kW đến 11 kW, phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau Sản phẩm này được sử dụng phổ biến trong cả ngành công nghiệp và nông nghiệp, mang lại hiệu quả cao trong việc điều khiển động cơ.
Khi xuất xưởng, biến tần được cài đặt với các thông số mặc định, phù hợp với mạch động lực của nó và động cơ liên quan Những giá trị này đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho hệ thống.
Khảo sát biến tần MicroMaster 420 của SIEMENS 5
Để tối ưu hóa việc điều khiển động cơ, cần thiết lập số động cơ và thông số biến tần, đồng thời áp dụng phương thức điều khiển (P1300) Trong giai đoạn này, nên cho biến tần thực hiện tính toán các thông số (P3900 ≠ 0) nhằm đảm bảo hiệu chỉnh và điều khiển phù hợp.
Khi cài đặt lại biến tần, có rất nhiều thông số cần xem xét, nhưng chỉ cần chú ý đến các thông số chính Thông thường, các thông số còn lại sẽ được cài đặt giống như mặc định của nhà sản xuất Để khôi phục tất cả các thông số về trạng thái xuất xưởng, bạn chỉ cần thực hiện theo hai bước đơn giản.
1.3.1 Thông số kĩ thuật Điện áp vào và công suất
220-240V 1 phase AC±10℅ 0,12-3kw 100-120V 1phase AC±10℅ 0,12-5.5kw
Khả năng quá tải Quá dòng × 1.5 dòng định mức trong 60s ở mỗi
Phương pháp điều khiển Tuyến tính V∕f ,bình phương , đa điểm, điều khiển dòng từ thông
Tần số điều chế xung PWM
16Hz (tiêu chuẩn ) 2-16 kHz ( bước chỉnh 2 kHz )
7 ,tùy vào mục đích sử dụng
4 tùy vào mục đích sử dụng Độ phân giải điểm đặt 10 bit analog
0.01 Hz cho giao tiếp nối tiếp đầu vào số 3 ,cách ly, lập trình được có thể lựa chọn PNP hoặc
NPN Đầu vào tương tự
1, dùng cho điểm đặt hay phản hồi PI (0-10 v) Đầu ra relay
1 có thể chọn chức năng được Đầu ra tương tự
Cổng giao tiếp nối tiếp
RS 485 vận hành với USS protocol
Dải nhiệt độ làm việc
Từ -10 đến 50 °C Độ cao lắp đặt
1000m trên với mực nước biển
Chức năng bảo vệ Thấp áp ,quá áp, quá nhiệt ,chống kẹt ,ngắn mạch ,chạm đất, khóa tham số PIN
Loại vỏ cao rộng sâu kg
1.3.3 Các thông số cơ bản
P0003: Mức truy nhập của người dùng
1 :Mức cơ bản cho phép người dùng truy cập đến những thông số thường dùng
2 :Mở rộng có thể truy nhập đến các chức năng I/O
3 : Mức truy nhập cao nhất có thể đến tất cả các thông số
P0005 : lựa chọn trạng thái hiển thị của biến tần
21_Tần số thực tế trên biến tần
25_Điện áp ra trên biến tần
30 cài đặt chế độ xuất xưởng
P0100 : lựa chọn tiêu chuẩn cho biến tần
0 : Châu Âu ( Kw ) tần số 50 Hz
1 : Bắc Mỹ (Hp ) tần số 60 Hz
2: Bắc Mỹ ( Kw ) tần số 60 Hz
Các mã lỗi P0304 đến P0335 liên quan đến việc cài đặt các thông số kỹ thuật cho động cơ, bao gồm điện áp định mức, dòng điện định mức, công suất định mức, hệ số cosφ định mức, hiệu suất định mức, tần số định mức, tốc độ định mức và chế độ làm mát Những cài đặt này rất quan trọng để đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả và ổn định.
P0640:cài đặt hệ số quá tải cho động cơ
0 Cài mặc định khi xuất xưởng
1 Cài tại chỗ trên màn hình BOP
2 Cài từ xa qua công tắc, biến trở,
5 Cài với chế độ USS trên đường truyền COM
P0701 : chức năng đầu vào số 1
Các chế độ có thể cài đặt:
0 : đầu vào số không hoạt động
2 : ON + đảo chiều / OFF1 3: OFF2 dừng tự do
P0702 : chức năng đầu vào số 2
P0703 : chức năng đầu vào số 3
P0704 : chức năng đầu vào số 4
16 : điểm đặt cố định + Nút ON
17 ; điểm đặt cố định + mã nhị phân
P01000 : chọn giá trị đặt tần số
0 không có giá trị cài đặt chính
4 : USS trên đường truyền BOP
5 : USS trên đường truyền COM link
15: USS trên đường truyền COM link + MOP setpoint
25: USS trên đường truyền COM link + analog setpoint
35 : USS trên đường truyền COM link + tần số cố định
P1016 :Mã tần số cố định - bit 0 1 : chọn trực tiếp
2: chọn trực tiếp + lệnh ON
3 : chọn chế độ mã hoá nhị phân
P1017 :Mã tần số cố định - bit 1
P1018 :Mã tần số cố định - bit 2
Tần số nhảy 1 (đơn vị Hz) được xác định nhằm tránh tác động của hiện tượng cộng hưởng cơ học và loại bỏ các tần số trong khoảng ± P1101.
P 1080 là tần số nhỏ nhất được thiết lập cho động cơ, cho phép động cơ hoạt động một cách độc lập với tần số đặt Nếu tần số đầu vào thấp hơn giá trị P 1080, tần số đầu ra sẽ được điều chỉnh về giá trị P 1080 và đảo dấu.
P1082 là tần số lớn nhất (HZ) cho phép động cơ hoạt động mà không bị ảnh hưởng bởi tần số đặt Nếu tần số đặt vượt quá giá trị của thông số P1080, tần số đầu ra sẽ bị giới hạn Giá trị này áp dụng cho cả hai trường hợp động cơ quay thuận và quay ngược chiều kim đồng hồ.
Sử dụng thông số này để lựa chọn chế độ điều khiển Trong chế độ điều khiển mặc định V/f, tỷ lệ giữa điện áp của biến tần và tần số đầu ra được xác định.
1 : V/f điều khiển dòng từ thông FCC
3 : ta có thể lập trình đường đặc tính V/f ở chế độ này
P1320 : toạ độ của tần số thứ nhất của luật V/f
P1321 : toạ độ điện áp thứ nhất của luật V/f
P1322 : toạ độ của tần số thứ hai của luật V/f
P1323 : toạ độ điện áp thứ hai của luật V/f
P1322 : toạ độ của tần số thứ ba của luật V/f
P1325 : toạ độ điện áp thứ ba của luật V/f
Các thông báo lỗi và cảnh báo 16
Lỗi Ý nghĩa Cảnh báo Ý nghĩa
F0001 lỗi quá dòng A0501 Giới hạn dòng
F0002 Lỗi quá áp A0502 Giới hạn quá áp
F0003 Lỗi thấp áp A0503 Giới hạn thấp áp
F0004 Quá nhiệt bộ biến tần A0504 Quá nhiệt độ biến tần
F0005 Quá tải I 2 t của biến tần A0505 Quá tải I 2 t của biến tần
Quá tải động cơ I 2 t A0506 Lỗi chu kì mang tải của biến tần
F0041 lối xác định dữ liệu động cơ
F0051 Lỗi thông số EEPROM A0541 Chế độ nhận dạng động cơ được kích hoạt
F0052 Lỗi phần công suất biến tần
F0060 ASIC lỗi A0920 Các thông số ADC không được đặt hợp lí
F0070 Lỗi giá trị điểm đặt CB A0922 Bộ biến tần không nối tải
Cấu trúc phần cứng 18
PLC có nhiều cấu hình khác nhau, tuy nhiên chúng đều có chung các thành phần sau:
Nguồn cung cấp cho PLC có thể được tích hợp sẵn bên trong hoặc lắp đặt riêng bên ngoài Tùy thuộc vào loại PLC, nguồn cung cấp có nhiều cấp điện áp khác nhau, bao gồm 110VAC, 220VAC và 24VDC.
CPU (Central Processing Unit): đây là bộ xử lý trung tâm làm việc như một máy tính, dùng để lưu trữ và xử lý chương trình logic bậc thang.
I/O (Input/Ouput): phải kết nối các ngõ vào/ra để PLC có thể giám sát các quá trình và đưa ra các tác động thích hợp.
Đèn báo trạng thái PLC rất quan trọng, bao gồm các chỉ báo như nguồn điện, chương trình đang chạy và lỗi hệ thống Những cảnh báo này hỗ trợ hiệu quả trong quá trình chẩn đoán sự cố.
Hình 2.3 Cấu trúc tổng quát PLC
S7-200 là dòng thiết bị điều khiển logic lập trình nhỏ gọn của Siemens, Đức, với cấu trúc mô-đun và khả năng mở rộng Các mô-đun này phù hợp cho nhiều ứng dụng lập trình đa dạng.
Hình dạng bên ngoài của PLC S7-200 được mô tả như hình
Hình 2.4 : Bộ điều khiển lập trình S7-200 Đặc điểm và thông số của các loại PLC S7-200 khác nhau được giới thiệu trong bảng: Đặc trưng CPU 221 CPU 222 CPU 224 CPU 226
Bộ nhớ chương trình 2048 words 2048words 4096words 4096wo
Bộ nhớ dữ liệu 1024 words 1024words 2560words 2560wo
Analog I/O cực đại None 16In/16Out 32In/32Out 32In/32
Tốc độ thực thi lệnh 0.37s 0.37s 0.37s 0.37s
Khả năng lưu trữ khi mất điện 50 giờ 50 giờ 190 giờ 190 giờ
Bảng 3.1: Các thông số PLC S7-200 2.1.2 Các đèn báo.
SF (System Failure): Đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị hỏng.
RUN: Đèn xanh RUN chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình được nạp vào trong máy.
STOP: Đèn vàng STOP chỉ định rằng PLC đang ở chế độ dừng chương trình.
Kiểu đầu vào IEC 1131-2 hoặc SIMATIC.
Điện áp mức logic 1: 15-30VDC, dòng nhỏ nhất 4mA; 35VDC ở thời gian tức thời 500ms.
Trạng thái mức logic 1 chuẩn: 24 VDC, 7mA.
Trạng thái mức logic 0: Tối đa 5 VDC, 1mA.
Đáp ứng thời gian lớn nhất ở các chân I0.0 đến I1.5: có thể chỉnh từ 0,2 đến 8,7ms. Thời gian mặc định 0,2ms.
Sự cách ly về quang 500VAC.
Hình 2.5 :sơ đồ mạch bên trong ngõ vào PLC
Hình 2.6 sơ đồ mạch bên trong ngõ ra PLC
Kiểu đầu ra: Relay hoặc Transistor cấp dòng điện.
Điện áp mức 1: 24.4 đến 28.8VDC.
Dòng tải tối đa: 2A/ điểm; 8A/common.
Thời gian chuyển mạch: tối đa 10ms.
Chế độ bảo vệ ngắn mạch: không có
Điện áp nguồn cung cấp: 20.4 đến 24.8VDC.
Dòng vào max load: 900mA tại 24VDC.
Cách ly điện ngõ vào: không có.
Thời gian duy trì khi mất nguồn: 10ms ở 24 VDC.
PLC có 3 chế độ làm việc:
Chế độ RU N cho phép PLC thực hiện chương trình từ bộ nhớ Nếu xảy ra sự cố trong máy hoặc gặp lệnh STOP trong chương trình, PLC sẽ chuyển từ chế độ RUN sang chế độ STOP.
ST OP: cưỡng bức PLC dừng chương trình đang chạy và chuyển sang chế độ
TER M: cho phép máy lập trình tự quyết định chế độ hoạt động cho PLC ở chế độ
S7-200 sử dụng cổng RS485 với đầu nối 9 chân để kết nối với thiết bị lập trình hoặc các trạm PLC khác Tốc độ truyền cho máy lập trình PPI đạt 9600 bauds, trong khi tốc độ truyền của PLC theo kiểu tự do có thể dao động từ 300 đến 38.400 bauds.
Hình 3.5 Sơ đồ chân cổng truyền thông vẽ và liệt kê chức năng
3 Tín hiệu A của RS485 ( RxD/TxD+)
7 Nguồn cấp 24 VDC 120mA max
8 Tín hiện B RS485 (RxD/TxD-)
9 Chọn lựa cách giao tiếp
Để kết nối S7-200 với máy tính PC qua cổng RS-232, cần sử dụng cáp nối PC/PPI và bộ chuyển đổi từ RS232 sang RS485, như được mô tả trong sơ đồ chân của cổng truyền thông.
Hình 2.7 cách ghép nối S7-200 với máy tính qua cổng RS232
Bạn có thể mở rộng ngõ vào/ra của PLC bằng cách thêm các module mở rộng vào bên phải của CPU Đối với CPU 224, tối đa có thể ghép nối 7 module.
Các module mở rộng Digital hay Analog đều chiếm chỗ trong bộ đệm, tương ứng với số đầu vào/ra của các module.
Các module 5 và 6 dùng để kết nối mạng Profibus và AS-Interface.
Nguyên lý hoạt động 23
2.2.1 Đơn vị xử lý trung tâm CPU.
CPU là bộ phận điều khiển các hoạt động bên trong PLC, nơi nó đọc và kiểm tra chương trình lưu trữ trong bộ nhớ Sau đó, CPU thực hiện tuần tự từng lệnh, từ đó quyết định việc đóng hay ngắt các ngõ ra Các trạng thái ngõ ra này sẽ tác động đến các thiết bị bên ngoài Tất cả các hoạt động này hoàn toàn phụ thuộc vào chương trình điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ.
Cấu trúc bộ nhớ 23
Bộ nhớ của S7-200 được phân chia thành 4 vùng, với một tụ điện giúp duy trì dữ liệu trong một khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn S7-200 sở hữu tính năng động cao, cho phép đọc và ghi dữ liệu trong toàn bộ vùng, ngoại trừ các bit nhớ đặc biệt.
SM (Special memory) chỉ có thể truy nhập để đọc.
• Vùng chương trình: miền bộ nhớ sử dụng để lưu trữ các lệnh chương trình.
• Vùng tham số: miền lưu trữ các tham số như từ khóa, địa chỉ trạm,… cũng giống như vùng chương trình.
• Vùng dữ liệu: được sử dụng để cất các dữ liệu của chương trình bao gồm các kết quả các phép tính, bộ đệm truyền thông…
• Vùng đối tượng: Timer, counter, bộ đếm tốc độ cao và các cổng vào/ra tương tự được đặt trong vùng nhớ cuối cùng.
• Vùng nhớ dữ liệu và vùng nhớ đối tượng có ý nghĩa quan trọng trong việc thực hiện một chương trình.
Vùng dữ liệu là một miền nhớ động cho phép truy cập linh hoạt theo từng bit, byte, từ đơn hoặc từ kép Nó đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ dữ liệu cho các thuật toán, hàm truyền thông, lập bảng, cũng như các thao tác như dịch chuyển, xoay vòng thanh ghi và quản lý con trỏ địa chỉ.
Ghi các dữ liệu kiểu bảng bị hạn chế rất nhiều vì các dữ liệu này thường chỉ được sử dụng theo những mục đích nhất định.
Vùng dữ liệu được phân chia thành các miền nhớ nhỏ với các chức năng khác nhau, được ký hiệu bằng chữ cái đầu của tên tiếng Anh để thể hiện công dụng riêng biệt của từng miền.
2.4 Sơ đồ kết nối phần cứng PLC 224 XP
2.5 Giới thiệu giao thức USS Để điều khiển biến tần SIEMENS thông qua PLC S7-200 thì người ta thường dùng cách sau dùng đầu vào ra số của PLC nhưng cách này chỉ thực hiện được những chức năng đơn giản như khởi động ,dừng ,đảo chiều động cơ còn việc thay đổi thời gian khởi động hoặc dừng, đặt lại tốc độ…thì không thể thực hiện được ở cách này. Để thay đổi giá trị setpoint trong điều khiển phản hồi thì mỗi biến tần cần mất đi 1 đầu vào và 1 đầu ra analog ,ngoài ra cũng vẫn phải cần đầu vào ra số của PLC để điều khiển biến tần. Điều khiển biến tần qua mạng Profibus đối với loại MicroMaster 3 , MicroMaster 4 của siemens đã có sẵn giao diện Profibus trên RS485 Port Nhưng đối với những ứng dụng nhỏ thì việc thiết kế mạng Profibus sẽ đưa giá thành lên cao ,do đó không kinh tế. Điều khiển mạng biến tần dùng PLC qua giao thức USS.
Sơ đồ khối điều khiển mạng DDS ( Distributed Driver System )
Kết nối Port 0 của PLC S7-200 với các port của biến tần cho phép điều khiển tối đa 32 biến tần qua mạng USS (UniverSal Serial interface) theo dạng điểm-điểm Qua mạng này, người dùng có thể điều khiển toàn bộ chức năng của biến tần và giám sát các thông số như dòng điện, điện áp, tốc độ, tần số, và hướng quay thông qua vùng nhớ riêng biệt của PLC Mạng này có chi phí thấp, rất phù hợp cho các ứng dụng nhỏ và vừa, đặc biệt là ở cấp trường.
Để giao tiếp hiệu quả với giao thức USS, nên sử dụng CPU có 2 cổng truyền thông như CPU 224xp hoặc CPU 226 Cổng đầu tiên sẽ thực hiện giao tiếp USS, trong khi cổng còn lại sẽ được sử dụng để giám sát và điều khiển Nhóm đã chọn CPU 224xp vì nó đã tích hợp 2 cổng và 1 cặp đầu vào ra analog, phù hợp cho ứng dụng này.
Các lệnh USS ảnh hưởng đến tất cả các bít SM thông qua truyền thông Freeport qua Port 0 hoặc Port 1 Giá trị của các lệnh USS yêu cầu 400 byte trong miền nhớ V, với địa chỉ bắt đầu do người sử dụng xác định và phần còn lại dành cho các giá trị khác Một số lệnh trong USS cần một bộ đệm truyền thông 16 byte; ví dụ, khi có một tham số cho lệnh, cần cung cấp một địa chỉ bắt đầu trong miền nhớ V của bộ đệm này Lưu ý rằng các lệnh trong USS không thể được thực hiện trong chương trình con.
Lệnh USS-INIT cho phép thiết lập hoặc ngăn chặn truyền thông với các MM và phải được thực hiện trước bất kỳ lệnh USS nào khác mà không có lỗi Sau khi thực hiện, bit Done sẽ được thiết lập ngay lập tức trước khi tiến hành các lệnh tiếp theo, và lệnh này được thực hiện trong mỗi vòng quét khi đầu vào EN được kích hoạt.
Giá trị đầu vào cho chế độ MODE xác định giao thức truyền thông, trong đó đầu vào = 1 sẽ thiết lập Port 0 để sử dụng giao thức USS, cho phép hoạt động chỉ theo giao thức này.
Baud đặt tốc độ truyền có giá trị là : 1200 ,2400 ,4800 ,9600 ,19200 ,38400, 57600 ,và 115200. Đầu vào Active dùng để xác định địa chỉ của Drive chỉ số địa chỉ từ 0 đến 30.
Error : chứa kết quả thực hiện lệnh
Lệnh USS-CTRL được sử dụng để điều khiển hoạt động của biến tần Lệnh này được đưa vào bộ đệm truyền thông và sau đó được gửi tới địa chỉ của biến tần, với điều kiện địa chỉ đã được xác định trong tham số Active của lệnh USS-INIT.
Chỉ một lệnh USS-CTRL được ấn định cho biến tần
_Bít En phải được sét lên mới cho phép lệnh USS-CTRL thực hiện.Lệnh này luôn ở mức cao
- RUN cho phép biến tần là on hay off Khi bít Run ở mức cao thì cho phép khởi động biến tần tại địa chỉ Drive.
- Địa chỉ Drive phải được lựa chọn từ đầu vào Active trong lệnh USS-INIT
- Off 2 dừng động cơ với thời gian giảm tốc P1021
- Bít Resp_R báo nhận phản hồi từ biến tần
- Bít F_ack được sử dụng để nhận biết lỗi từ biến tần các lỗi của biến tần được xoá khi set bit nay lên.
- Bít Dir xác định hướng quay mà MM điều khiển.
- Type dùng để lựa chọn dòng biến tần Đối với họ MM3 trở về trước thì bít này
=0,còn đối với MM4 trở đi =1.
- Speed_SP là tốc độ cần đặt theo tỷ lệ phần trăm.các giá trị âm sẽ làm cho động cơ đảo chiều.
- Status là word thể hiện giá trị phản hồi từ biến tần
- Speed là tốc độ động cơ theo tỷ lệ phần trăm.
- D-Dir cho biết hướng quay.
- Inhibit : cho biết tình trạng của thẻ inhibit bit on the drive (0-not inhibit, 1- inhibit). Để xoá bit inhibit này , bit fault phải trở về off.
Bit lỗi (Fault) cho biết tình trạng của hệ thống, với giá trị 0 biểu thị không có lỗi và 1 biểu thị có lỗi Khi có lỗi, drive sẽ hiển thị mã lỗi tương ứng Để xoá bit Fault, cần phải khắc phục lỗi đã xảy ra và thiết lập bit F_ACK.
Bảng : kiểu dữ liệu và toán hạng của các đầu vào/ra trong lệnh US-CTRL
Có 3 lệnh đọc cho giao thức USS.
USS_RPM_W: là lệnh đọc một tham số Word
USS_RPM_D: là lệnh đọc một tham số Double Word.
USS_RPM_R: là lệnh đọc một tham số thực.
_Chỉ có một lệnh đọc(USS_RPM_x) hoặc ghi (USS_WPM_x) có thể làm việc tại một thời điểm.
Lệnh USS_RPM_x sẽ hoàn tất khi MM nhận diện cách thức thực hiện lệnh hoặc khi có thông báo lỗi trạng thái Trong thời gian chờ phản hồi, vòng quét vẫn tiếp tục diễn ra.
Bit EN cần được thiết lập để cho phép truyền các yêu cầu và nên duy trì trạng thái này cho đến khi bit Done được thiết lập, đánh dấu tín hiệu hoàn thành quá trình Ví dụ, lệnh USS_RPM_x sẽ được gửi đến MM trong mỗi vòng quét khi đầu vào XMT_REQ ở trạng thái bật.
Đầu vào XMT-REQ cần được kích xung khi sườn xung lên được nhận, nhằm truyền một yêu cầu cho mỗi chuyển tiếp dương của đầu vào EN.
- Đầu vào Drive là địa chỉ của MM mà lệnh USS_RPM_x được chuyển tới địa chỉ hợp lệ là 0 đến 31.
- Param là số tham số (là giá trị cần đọc từ MM).
- Index là con trỏ chỉ vào giá trị để đọc.
- Value là giá trị của thông số phản hồi.
Đầu vào DB_Ptr được cung cấp bởi địa chỉ của bộ đệm 16 byte trong lệnh (kiểu byte), trong khi đầu ra Value chứa kết quả của việc thực hiện lệnh Lưu ý rằng đầu ra Error và Value sẽ không hợp lệ cho đến khi đầu ra done được thiết lập.
Tương tự như lệnh đọc thì cũng có 3 lệnh ghi cho giao thức USS là :
USS_WPM_W : lệnh ghi tham số xuống biến tần độ dài là 1 word
Giới thiệu giao thức USS 26
Để điều khiển biến tần SIEMENS qua PLC S7-200, thường sử dụng đầu vào ra số của PLC, nhưng chỉ thực hiện được các chức năng đơn giản như khởi động, dừng và đảo chiều động cơ Việc thay đổi thời gian khởi động, dừng hoặc tốc độ không thể thực hiện bằng phương pháp này Để thay đổi giá trị setpoint trong điều khiển phản hồi, mỗi biến tần cần một đầu vào và một đầu ra analog, cùng với đầu vào ra số của PLC Đối với MicroMaster 3 và MicroMaster 4 của Siemens, việc điều khiển qua mạng Profibus đã có sẵn giao diện Profibus trên cổng RS485 Tuy nhiên, thiết kế mạng Profibus cho các ứng dụng nhỏ có thể làm tăng chi phí, do đó không kinh tế Một giải pháp khác là điều khiển biến tần qua giao thức USS.
Sơ đồ khối điều khiển mạng DDS ( Distributed Driver System )
Sử dụng Port 0 của PLC để kết nối với các port của biến tần, PLC S7-200 có khả năng điều khiển tối đa 32 biến tần trong một mạng USS (UniverSal Serial interface) theo hình thức kết nối điểm-điểm Qua mạng này, người dùng có thể điều khiển toàn bộ chức năng của biến tần và giám sát các thông số như dòng điện, điện áp, tốc độ, tần số và hướng quay, nhờ vào vùng nhớ được PLC dành riêng cho mỗi biến tần Mạng này có chi phí thấp và rất tối ưu cho các ứng dụng nhỏ và vừa, đặc biệt phù hợp ở cấp trường.
Để giao tiếp hiệu quả với giao thức USS, nên sử dụng CPU có 2 cổng truyền thông như CPU 224xp hoặc CPU 226 Cổng đầu tiên sẽ thực hiện giao tiếp USS, trong khi cổng còn lại được sử dụng để giám sát và điều khiển Nhóm đã quyết định chọn CPU 224xp vì nó tích hợp 2 cổng và 1 cặp vào ra analog, phù hợp cho ứng dụng này.
Các lệnh USS ảnh hưởng đến tất cả các bít SM thông qua truyền thông Freeport qua Port 0 hoặc Port 1 Giá trị của các lệnh USS yêu cầu 400 byte từ miền nhớ V, với địa chỉ bắt đầu do người sử dụng xác định và phần còn lại dành cho các giá trị khác Một số lệnh trong USS cần một bộ đệm truyền thông 16 byte; ví dụ, đối với một tham số, cần cung cấp một địa chỉ bắt đầu trong miền nhớ V của bộ đệm này Lưu ý rằng các lệnh trong USS không thể được thực hiện trong chương trình con.
Lệnh USS-INIT cho phép thiết lập hoặc ngăn chặn truyền thông với các MM Trước khi sử dụng bất kỳ lệnh USS nào khác, lệnh USS-INIT phải được thực hiện mà không có lỗi Sau khi hoàn thành, bit Done sẽ được thiết lập ngay lập tức trước khi thực hiện các lệnh tiếp theo, và lệnh này được thực hiện trong mỗi vòng quét khi đầu vào EN được kích hoạt.
Giá trị đầu vào của chế độ MODE xác định giao thức truyền thông, với đầu vào = 1 sẽ thiết lập Cổng 0 được sử dụng cho giao thức USS và chỉ cho phép hoạt động theo giao thức này.
Baud đặt tốc độ truyền có giá trị là : 1200 ,2400 ,4800 ,9600 ,19200 ,38400, 57600 ,và 115200. Đầu vào Active dùng để xác định địa chỉ của Drive chỉ số địa chỉ từ 0 đến 30.
Error : chứa kết quả thực hiện lệnh
Lệnh USS-CTRL được sử dụng để điều khiển hoạt động của biến tần, với việc đưa lệnh vào bộ đệm truyền thông Từ bộ đệm này, lệnh sẽ được gửi đến địa chỉ của biến tần, điều kiện là địa chỉ phải được xác định trong tham số Active của lệnh USS-INIT.
Chỉ một lệnh USS-CTRL được ấn định cho biến tần
_Bít En phải được sét lên mới cho phép lệnh USS-CTRL thực hiện.Lệnh này luôn ở mức cao
- RUN cho phép biến tần là on hay off Khi bít Run ở mức cao thì cho phép khởi động biến tần tại địa chỉ Drive.
- Địa chỉ Drive phải được lựa chọn từ đầu vào Active trong lệnh USS-INIT
- Off 2 dừng động cơ với thời gian giảm tốc P1021
- Bít Resp_R báo nhận phản hồi từ biến tần
- Bít F_ack được sử dụng để nhận biết lỗi từ biến tần các lỗi của biến tần được xoá khi set bit nay lên.
- Bít Dir xác định hướng quay mà MM điều khiển.
- Type dùng để lựa chọn dòng biến tần Đối với họ MM3 trở về trước thì bít này
=0,còn đối với MM4 trở đi =1.
- Speed_SP là tốc độ cần đặt theo tỷ lệ phần trăm.các giá trị âm sẽ làm cho động cơ đảo chiều.
- Status là word thể hiện giá trị phản hồi từ biến tần
- Speed là tốc độ động cơ theo tỷ lệ phần trăm.
- D-Dir cho biết hướng quay.
- Inhibit : cho biết tình trạng của thẻ inhibit bit on the drive (0-not inhibit, 1- inhibit). Để xoá bit inhibit này , bit fault phải trở về off.
Bit lỗi (Fault) cho biết tình trạng lỗi của thiết bị, với giá trị 0 biểu thị không có lỗi và 1 biểu thị có lỗi Mã lỗi sẽ được hiển thị trên drive Để xóa bit Fault, cần phải khắc phục lỗi xảy ra và thiết lập bit F_ACK.
Bảng : kiểu dữ liệu và toán hạng của các đầu vào/ra trong lệnh US-CTRL
Có 3 lệnh đọc cho giao thức USS.
USS_RPM_W: là lệnh đọc một tham số Word
USS_RPM_D: là lệnh đọc một tham số Double Word.
USS_RPM_R: là lệnh đọc một tham số thực.
_Chỉ có một lệnh đọc(USS_RPM_x) hoặc ghi (USS_WPM_x) có thể làm việc tại một thời điểm.
Lệnh USS_RPM_x sẽ hoàn tất khi MM nhận diện được cách thức thực hiện lệnh, hoặc khi có thông báo lỗi trạng thái Trong khi chờ phản hồi, quá trình quét vẫn tiếp tục diễn ra.
Bit EN cần được cấu hình để cho phép truyền tải các yêu cầu và nên duy trì trạng thái này cho đến khi bit Done được kích hoạt, đánh dấu sự hoàn tất của quá trình Ví dụ, lệnh USS_RPM_x sẽ được gửi đến MM trong mỗi vòng quét khi đầu vào XMT_REQ ở trạng thái bật.
Đầu vào XMT-REQ cần được kích xung khi nhận được sườn xung lên, nhằm gửi yêu cầu cho mỗi lần chuyển tiếp dương của đầu vào EN.
- Đầu vào Drive là địa chỉ của MM mà lệnh USS_RPM_x được chuyển tới địa chỉ hợp lệ là 0 đến 31.
- Param là số tham số (là giá trị cần đọc từ MM).
- Index là con trỏ chỉ vào giá trị để đọc.
- Value là giá trị của thông số phản hồi.
Đầu vào DB_Ptr là địa chỉ của bộ đệm 16 byte, trong khi đầu ra Value chứa kết quả thực hiện lệnh Lưu ý rằng đầu ra Error và Value sẽ không hợp lệ cho đến khi đầu ra Done được thiết lập.
Tương tự như lệnh đọc thì cũng có 3 lệnh ghi cho giao thức USS là :
USS_WPM_W : lệnh ghi tham số xuống biến tần độ dài là 1 word
Lệnh USS_WPM_D và USS_WPM_R cho phép ghi tham số xuống biến tần với độ dài 2 word Khi đầu vào EEPROM được thiết lập, lệnh sẽ ghi dữ liệu vào cả bộ nhớ RAM và EEPROM của biến tần.
3 : Giao tiếp người vận hành HMI
Hệ thống giao tiếp người vận hành HMI (Giao diện Người-Máy) kết hợp với hệ thống SCADA cung cấp chức năng chỉ thị trạng thái, báo động và cảnh báo, đồng thời cho phép can thiệp thủ công vào các hoạt động điều khiển, lưu trữ dữ liệu và lập trình Các lớp và cấp độ điều khiển yêu cầu độ tin cậy và khả năng vận hành cao, bao gồm cấp thiết bị, cấp điều khiển và cấp giám sát HMI còn có khả năng hiệu chỉnh chương trình điều khiển để đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Giới thệu WICC FLEXIBLE 2008 và HMI (Human Machine Interface )
WINCC FLEXIBLE là phần mềm SCADA được phát triển bởi Microsoft theo yêu cầu của SIEMENS, phục vụ cho việc giám sát và thu thập dữ liệu trong hệ thống SCADA với các thiết bị của SIEMENS như PLC S7-200, S7-300 và S7-400 Phần mềm cũng cho phép kết nối với các PLC của hãng khác thông qua khối OPC WINCC FLEXIBLE được ra mắt để thay thế cho phần mềm PROTOOL đã ngừng sản xuất.
Kết quả thi công mô hình
Điều khiển biến tần qua giao thức USS 37
3.1.1 Sơ đồ khối và lưu đồ thuật toán cho mô hình điều khiển USS
Mô hình này được thiết kế để điều khiển và giám sát biến tần SIEMENS trong trạm bơm điều áp cấp nước sinh hoạt Việc kết nối được thực hiện thông qua chuẩn USS, sử dụng Port 0 hoặc Port 1 (đối với CPU 224 XP hoặc 226) của PLC để liên kết với Port của biến tần.
Trạm bơm được trang bị màn hình HMI để giám sát hoạt động của các bơm Khi bắt đầu vận hành, nhân viên nhập tần số cần thiết để bơm hoạt động, và tần số này được gửi xuống biến tần để khởi động quá trình bơm Trong quá trình bơm, nếu cần giám sát các thông số như dòng điện, điện áp, tần số và tốc độ, nhân viên chỉ cần nhấn vào các ô tương ứng Các giá trị này sẽ được PLC lấy từ biến tần, xử lý và hiển thị trên màn hình giám sát.
Trong quá trình bảo trì hoặc thay thế bơm, nếu bơm quay ngược, nhân viên sẽ sử dụng nút đảo chiều trên màn hình thay vì đảo 2 trong 3 pha của mạch động lực Để theo dõi áp lực trong đường ống và tránh tình trạng bể đường ống hoặc thiếu áp, một cảm biến áp suất được kết nối với ngõ vào tương tự của biến tần, giúp nhân viên điều chỉnh tần số cho phù hợp.
Sử dụng cáp điện chất lượng cao cho mạng Profibus là rất quan trọng, vì nó cần có điện trở đầu cuối để ngăn chặn dòng điện không mong muốn Dòng điện này có thể gây ra lỗi truyền thông và làm hỏng thiết bị, do đó việc lựa chọn cáp phù hợp là cần thiết để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.
3.1.3 Thiết lập liên kết giữa Step 7 Microwin và S7-200 PC Access
Mở phần mềm PC Access và tạo địa chỉ cho các trạm và khai báo Item
Trong hộp thuộc tính Box Item, chúng ta khai báo các thuộc tính cho đối tượng cần liên kết Ví dụ, nhãn RUN_STOP được gán với địa chỉ M0.1, với kiểu dữ liệu BOOL, cho phép đọc và ghi bit này.
Chúng ta tạo một nhãn có tên là "speed out" gắn với địa chỉ VD8, kiểu dữ liệu là REAL, cho phép đọc dữ liệu 32 bit Kết quả thu được sẽ là các Item như hình dưới đây.
Sau đó kiểm tra việc liên lạc giữa PC Access và PLC S7-200 trong mục Quality thể hiện chất lượng liên lạc giữa PC Access và PLC S7-200
3.1.4 Thực hiện liên kết trên WinCC Flexible liên kết trên giữa WinCC Flexible và PC Access
Liên kết địa chỉ với PC Access
Thiết kế giao diện trên WinCC Flexible
Kết quả thu được ở chế độ RunTime
3.1.5 Vận hành và khảo nghiệm
Để khởi động hệ thống, trước tiên hãy nhấn nút RESET và nhập tần số vào ô số 1 Nhấn nút RUN_STOP lần đầu để khởi động động cơ, nhấn lần thứ hai để dừng Trong quá trình hoạt động, bạn có thể theo dõi tần số, dòng điện, điện áp và giá trị tín hiệu đầu vào biến tần Để thay đổi chiều quay của động cơ, hãy sử dụng nút DIR trên phần mềm thay vì thay đổi dây kết nối Nhấn nút OFF2 để cho động cơ dừng tự do thay vì dừng với thời gian giảm tốc Cuối cùng, chọn Exit để thoát khỏi chương trình.
Qua vận hành cho thấy mô hình đã đáp ứng được những yêu cầu cơ bản đặt ra với tần số đáp ứng nhanh
Hạn chế ghi tần số xuống cần phải dừng hệ thống lại làm mất tính liên tục của hệ thống.
Điều khiển biến tần qua modul Analog
3.2.1 Sơ đồ khối và lưu đồ thuật toán cho mô hình điều khiển Analog
Mục đích của việc sử dụng ngõ vào ra tương tự của PLC là để điều khiển và đo tốc độ của trục biến tần, từ đó điều chỉnh tốc độ một cách vô cấp Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể, tốc độ sẽ được lựa chọn và điều chỉnh cho phù hợp Việc đo tốc độ trục được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp, đặc biệt trong các lĩnh vực như cắt giấy chính xác, máy CNC và điều khiển vị trí.
3.2.2 Xây dựng công thức tính tốc độ RPM:
Về lý thuyết ta có thể tính được RPM dựa vào tần số và số cặp cực của động cơ theo công thức
Trong đó F là tần số lưới điện đặt trên động cơ P: là số cặp cực
Tốc độ vòng quay thực tế của động cơ phụ thuộc vào ma sát trên trục ROTOR và hệ số trượt của động cơ, do đó, thông số tốc độ nêu trên có thể không chính xác.
( Hệ số trượt của động cơ không đồng bộ )
Giả sử trong 1 khoảng thời gian T phút (thời gian lấy mẫu ) encoder đếm được X xung
Vậy trong khoảng thời gian lấy mẫu T phút thì động cơ quay được vòng suy ra số tốc độ thực tế trên rotor là
B vòng/ phút tốc độ đọc được ở đây là tốc độ thực tế trên r otor
3.2.3 Thiết kế giao diện điều khiển trên MicroSoft Excel
Kết quả mô hình hoàn chỉnh
Khi biến tần đang ở trạng thái Stop
Khi biến tần đang ở trạng thái Run
3.2.4 Vận hành và khảo nghiệm
Trên giao diện màn hình có hai nút nhấn: START và STOP Khi nhấn nút START, biến tần sẽ khởi động, làm cho tốc độ động cơ thay đổi và hiển thị số vòng quay trên phút Biểu đồ cột tốc độ cũng sẽ điều chỉnh theo sự thay đổi này, và giá trị Analog trên ngõ ra AQW0 cũng được cập nhật Ngược lại, khi nhấn nút STOP, biến tần sẽ ngừng hoạt động, dẫn đến việc cột tốc độ giảm theo số vòng quay của động cơ.
Nhận xét : màn hình giao diện đơn giản trực quan ,đáp ứng nhanh với những sự kiện bên ngoài
Còn hạn chế về lập trình VisuaBasic Application
