ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN QUANG HUY “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PLC ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ TRONG CÔNG NGHỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG” Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên, 2014 Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Người hướng dẫn khoa học: TS. Đỗ Trung Hải. Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Như HIển Phản biện 2: TS. Nguyễn Văn Vỵ Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Vào hồi 13 h30 ngày 18 tháng 8 năm 2014. Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên - Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp 1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Do khắc phục được một số nhược điểm của động cơ một chiều trong cấu tạo và khi làm việc như: không cần có cổ góp và chổi than, những thứ dễ bị mòn và yêu cầu bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên; không sinh ra tia lửa điện trong quá trình làm việc. Vì vậy, hệ truyền động - động cơ không đồng bộ đ ã và đang được ứng dụng nhiều trong thực tế sản xuất. Một nhược điểm cơ bản của hệ truyền động này là việc điều chỉnh tốc độ ở dải rộng gặp nhiều khó khăn. Tuy nhiên với sự phát triển của công nghệ vật liệu, của khoa học kỹ thuật việc mở rộng dải điều chỉnh tốc độ của hệ truyền động này đã được khắc phục bằng phương pháp điều chỉnh tần số (Hệ truyền động biến tần - động cơ). Với các hệ truyền động yêu cầu chất lượng điều khiển không cao thì điều khiển theo cấu trúc hệ hở là đáp ứng được yêu cầu. Tuy nhiên, với các hệ truyền động yêu cầu chất lượng điều khiển cao thì trong hệ phải có mạch tổng hợp và tạo tín hiệu điều khiển. Công nghệ cân băng được dùng nhiều trong các dây truyền công nghiệp ví dụ như sản xuất xi măng. Nó là một trong những công nghệ yêu cầu chất lượng điều khiển cao, vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng PLC để điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ theo yêu cầu công nghệ cân băng định lượng là việc làm cần thiết và là hướng nghiên cứu chính của bản luận văn. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Nghiên cứu lý thuyết về động cơ không đồng bộ, phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi tần số. Nghiên cứu về biến tần, PLC; công nghệ cân b ăng định lượng; phân tích lựa chọn, xây dựng cấu trúc và thuật toán điều khiển. Phân tích và tổng hợp hệ bằng mô hình toán. Xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm tra, đánh giá các kết quả nghiên cứu lý thuyết. 2 Sử dụng công cụ nhận dạng mô hình của phần mềm Matlab (Mathwork) để xác định mô hình toán học của đối tượng và kết quả sẽ giúp xác định được mô hình toán học của đối tượng phản ánh đúng bản chất của đối tượng vật lý thực. Điều khiển hệ truyền động biến tần - động cơ đáp ứng yêu cầu công nghệ cân băng định lượng là một kỹ thuật tiên tiến, là một trong những công nghệ yêu cầu chất lượng điều khiển cao. Từ nghiên cứu nghiên cứu ứng dụng PLC để điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ theo yêu cầu công nghệ cân băng định lượng có thể phát triển vào trong các dây truyền công nghiệp như sản xuất xi măng, sản xuất gạch … Do đó nghiên cứu ứng dụng PLC để điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ theo yêu cầu công nghệ cân băng định lượng có tính khoa học và thực tiễn cao. 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG 1.1. Lý thuyết chung về hệ thống cân băng định lượng. 1.1.1. Đặt vấn đề Hệ thống cân băng định lượng là một trong các hệ thống có vai trò rất quan trọng trong các dây truyền sản xuất trong công nghiệp, thương mại. Các quá trình công nghệ nói chung đều đi từ xử lý các nguyên liệu thô ban đầu để tạo ra các thành phẩm. Vậy làm thế nào để định lượng được khối lượng nguyên liệu đầu vào một cách chính xác và để cho ra đời các sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng với chi phí sản xuất thấp nhất? 1.1.2. Khái niệm Cân băng định lượng là bao gồm các thiết bị ghép nối với nhau mà thành, nó thuộc dạng cân định lượng băng tải, được dùng cho hệ thống cân liên tục (liên tục theo chế độ dài hạn lặp lại). Thực hiệ n việc phối liệu một cách liên tục theo tỷ lệ yêu cầu công nghệ đặt ra. Cân băng định lượng trong luận văn đề xuất nghiên cứu là cân băng tải, nó là thiết bị cung cấp kiểu trọng lượng vật liệu được chuyên trở trên băng tải mà tốc độ của nó được điều chỉnh để nhận được lưu lượng vật liệu ứng vớ i giá trị do người vận hành đặt trước. 1.1.3. Cấu tạo của cân băng định lượng Hình 1. 1 Sơ đồ cấu tạo cân băng định lượng 1 5 1 2 3 6 7 8 9 4 4 1.1.4. Nguyên lý tính lưu lượng của cân băng định lượng 1.1.4.1. Nguyên lý tính lưu lượng Cân băng định lượng (cân băng tải) là thiết bị cung cấp liệu kiểu trọng lượng. Vật liệu được chuyên trở trên băng tải, mà tốc độ của băng tải được điều chỉnh để nhận được lưu lượng đặt trước khi có nhiễu tác động lên hệ (ví dụ liệu không xuố ng đều). Để xác định lưu lượng vật liệu chuyển tới nơi đổ liệu thì phải xác định đồng thời vận tốc của băng tải và trọng lượng của vật liệu trên 1 đơn vị chiều dài ∂ (kg/m). Trong đó tốc độ của băng tải được đo bằng cảm biến tốc độ có liên hệ động học với động c ơ. Tốc độ băng tải V (m/s) là tốc độ của vật liệu được truyền tải. Tải của băng truyền (ƍ) là trọng lượng vật liệu được truyền tải trên một đơn vị chiều dài ∂ (kg/m). Cân băng tải có bộ phận đo trọng lượng để đo ∂ và bộ điều khiển để điều chỉnh tốc độ băng tải sao cho điểm đổ liệu, lưu lượng dòng chảy liệu bằng giá trị đặt do người vận hành đặt trước. Do đó lưu lượng có thể tính là: Q = gL VFc g L VFc * *2 2 *  (1.5) 1.1.4.2. Đo trọng lượng liệu trên băng tải Trọng lượng đo nhờ tín hiệu của LoadCell bao gồm trọng lượng của băng tải và trọng lượng vật liệu trên băng. Vì vậy để đo được trọng lượng của liệu thì ta phải tiến hành trừ bì. 1.1.5. Khái quát về điều chỉnh cấp liệu cho cân băng Việc điều chỉnh cấp liệ u cho băng cân định lượng chính là điều chỉnh lưu lượng liệu cấp cho băng cân và được thực hiện bằng 3 phương pháp. - Phương pháp 1 (Điều chỉnh cấp liệu gián đoạn) Phương pháp này điều chỉnh cấp liệu bằng tín hiệu của sensor cấp liệu kiểu trôi để điều khiển một số thiết bị cấp liệu. 5 Hình 1. 2 Định lượng gián đoạn Vị trí của sensor cấp liệu theo kiểu trôi được đặt ở phía cuối của ống liệu. - Phương pháp 2 (Điều chỉnh cấp liệu liên tục) Hình 1. 3 Định lượng liên tục Phương pháp này điều chỉnh cấp liệu liên tục cho băng cân định lượng sử dụng bộ điều chỉnh PID để điều chỉnh cấp liệu (có thể là van cấp liệu hoặc van quay) để đảm bảo cho lượng tải trên một đơn vị chiều dài băng tải là không đổi. - Phương pháp 3 (Điều chỉnh mức vật li ệu trong ngăn xếp) Phương pháp điều chỉnh mức liệu trong ngăn xếp có thể coi là sự kết hợp của 2 phương pháp trên: phương pháp điều chỉnh gián đoạn và điều chỉnh liên tục. Phương pháp này tận dụng những ưu điểm và khắc phục những nhược điểm của 2 phương pháp trên và được thiết kế đặc biệt cho các băng cân đị nh lượng. 6 1.2. Cấu trúc hệ thống cân băng Hình 1. 4 Cấu trúc hệ thống cân băng định lượng 1.3. Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ dùng biến tần 1.3.1. Động cơ không đồng bộ 1.3.1.1. Khái quát về động cơ không đồng bộ 1.3.1.2. Công thức tính chọn động cơ không đồng bộ * Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động Hình 1. 5 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động * Tính chọn công suất động cơ Công suất động cơ: P 1 = 1 12 F V     BỘ KHUẾCH ĐẠI MÃ HÓA XUNG BỘ ĐIỀU KHIỂ N BIẾ N M V Q đ Q Loadcel Hộp giảm tốc Động cơ KĐB AC M N t X 7 1.3.2. Khái quát về biến tần 1.3.2.1. Định nghĩa Biến tần là thiết bị biến đổi điện xoay chiều ở tần số này thành điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được. 1.3.2.2. Nguyên lý hoạt động của biến tần Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản. Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Hình 1. 6 Nguyên lý hoạt động của biến tần 1.3.2.3. Ưu điểm khi sử dụng biến tần - Bảo vệ động cơ khỏi mài mòn cơ khí. - Tiết kiệm điện, bảo vệ các thiết bị điện trong cùng hệ thống. - Đáp ứng yêu cầu công nghệ. - Tăng năng suất sản xuất. 1.3.3. Điều chỉnh tần số động cơ bằ ng biến tần Muốn điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi tần số ta phải có một bộ nguồn xoay chiều có thể điều chỉnh tần số điện áp một cách đồng thời thông qua một biến tần. 1.4. Cảm biến trọng lực Loadcell 1.4.1. Khái niệm Loadcell Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực ho ặc trọng lượng thành tín hiệu điện. Loadcell thường được sử dụng để cảm ứng các lực lớn, tĩnh hay các lực biến thiên chậm. Một số trường hợp loadcell được thiết kế để đo lực tác động mạnh phụ thuộc vào thiết kế của Loadcell. 8 1.4.2. Tế bào cân đo trọng lượng Là thiết bị đo trọng lượng trong hệ thống cân định lượng bao gồm 2 loại tế bào là loại SFT (Smat Foree Tran Sduer) và tế bào cân Tenzomet. 1.4.2.1. Nguyên lý tế bào cân số SFT Đầu đo trọng lượng là nơi đặt tải cần đo, nó truyền lực tác động trực tiếp của tải lên một đây dẫn đặt trong từ trường không đổi. Nó làm thay đổi sức că ng của dây dẫn nên dây dẫn bị dao động (bị rung). Sự dao động của dây dẫn trong từ trường sinh ra sức điện động cảm ứng. Sức điện động này có tác động chặt chẽ lên tải trọng đặt trên đầu đo. Đầu cảm biến nhiệt độ xác định nhiệt độ của môi trường để thực hiện việc chỉnh định vì các phần tử SFT phụ thu ộc vào rất nhiều vòng nhiệt độ. 1.4.2.2. Nguyên lý tế bào cân Tenzomet Nguyên lý tế bào cân Tenzomet dựa theo nguyên lý cầu điện trở, trong đó giá trị điện trở của các nhánh cầu thay đổi bởi ngoại lực tác động lên cầu. 1.4.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 1.4.3.1. Cấu tạo Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là "Strain gage" và thành phần còn lại là "Load". Hình 1. 7 Cấu tạo của một Loadcell [...]... Các thiết bị thực nghiệm 3.1.1 Động cơ Động cơ truyền động điện cho băng tải là động cơ xoay chiều rôto lồng sóc do hãng Toshiba Corporation chế tạo sản xuất Thông số kỹ thuật động cơ: Hình 3 1 Động cơ truyền động kéo băng tải 3.1.2 Biến tần Biến tần cấp điện cho động cơ là biến tần Commander SE do hãng Control Techniques sản xuất Thông số kỹ thuật biến tần: Hình 3 2 Biến tần Commander SE 17 3.1.3 Loadcell... định lượng Sơ đồ cấu trúc hệ thống 14 điều khiển điều khiển lưu lượng hệ cân băng định lượng được trình bày trong hình sau: m Qđ e (-) RQ udk Q v WDT X Hình 2 4 Cấu trúc điều khiển hệ thống Ở đây ta phải xác định quy luật điều khiển của bộ điều khiển lưu lượng RQ sao cho trong quá trình làm việc lưu lượng liệu thực của hệ thống luôn bám theo một lượng đặt cho trước Bộ điều khiển RQ được tổng hợp theo... Cấu trúc điều khiển hệ thống (m là hằng số) Bộ điều khiển RQ: 0.41093 1 1   2 1.5  8694.4  0.78045 2 1.5  8694.4  0.78045 s 1  2.0186 105  4.9124 105  s RQ  2.3.2 Bài toán 2 (Lựa chọn thiết bị thực hiện luật điều khiển) Để thực hiện luật điều khiển Trong luận văn sử dụng PLC họ S7-200 15 2.4 PLC S7-200 2.4.1 Giới thiệu chung họ PLC S7- 200 * Đặc điểm họ PLC S7 - 200: * Ứng dụng: * S7-200... được các kết quả sau: + Nghiên cứu về hệ thống cân băng định lượng, thực hiện được các thuật toán điều khiển đáp ứng được yêu cầu công nghệ Xây dựng được các cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng + Xây dựng được mô hình toán học hệ thống cân băng định lượng và tổng hợp bộ điều chỉnh lưu lượng cho hệ bằng việc nhận dạng mô hình toán học của hệ thống Luật điều khiển lưu lượng được xác định... BgT Đối Hình 2 1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống cân băng định lượng Để tổng hợp hệ thống, tìm ra luật điều khiển ta phải xác định mô hình toán học mô tả các thành phần trong cấu trúc hệ thống Tác giả sử dụng công cụ nhận dạng mô hình (System Identification toolbox) của phần mềm Matlab (Mathwork) để xác định mô hình toán học Khi đó ta coi đối tượng điều khiển gồm biến tần, động cơ, bộ phận giảm tốc và băng tải,... 7 Băng tải liệu 3.1.7 Bảng điều khiển Hình 3 8 Bảng điều khiển 19 3.1.7 Mô hình thực nghiệm hệ thống cân băng định lượng Hình 3 9 Mô hình thực nghiệm hệ thống cân băng định lượng 3.2 Thực nghiệm 3.2.1 Cấu trúc thực nghiệm - Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng như hình vẽ - Tham số bộ điều khiển lưu lượng theo quy luật 3.2.2 Kết quả thực nghiệm 3.2.2.1 Đáp ứng hệ với tín hiệu đầu vào là... điều khiển biến tần Uđk và tín hiệu ra là vận tốc dài của băng tải V Khi đó cấu trúc hệ thống được thể hiển trên hình 2.3 m Qđ e (-) BĐK Uđk Hệ thống Băng tải Hình 2 2 Sơ đồ cấu trúc hệ V Q 13 2.2 Nhận dạng mô hình toán học đối tượng 2.2.1 Thu thập dữ liệu vào/ra của đối tượng Để nhận dạng mô hình toán học đối tượng (Hệ thống băng tải) ta thực hiện cấp tín hiệu điều khiển Uđk cho biến tần, đó đáp ứng. .. bên trong) Thành phần trong modul EM235: Tín hiệu đầu ra: VO 0÷10V, IO 0÷20mA Nguồn nuôi: 24VDC 2.5 Kết luận chương 2 Chương 2 đã trình bày việc nhận dạng mô hình toán học hệ thống cân băng định lượng và tổng hợp bộ điều chỉnh lưu lượng cho hệ Luật điều khiển lưu lượng được xác định theo phương pháp modul tối ưu Để thực hiện luật điều khiển tác giả chọn sử dụng PLC S7 200 16 CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM HỆ... một điểm cố định khác trong một không gian Các chức năng cụ thể của hệ thống băng tải có thể khác nhau đáng kể tùy thuộc vào thiết kế của máy, nhưng nhiều hệ thống sử dụng một băng tải cao su để vận chuyển hàng hoá 10 1.6 Sensor đo tốc độ 1.6.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: Để điều khiển số vòng quay hay vận tốc động cơ thì chúng ta nhất thiết phải đọc được góc quay của động cơ Một số phương pháp... Do đó để nhận biết được tín hiệu đó ta phải sử dụng mạch khuếch đại vi sai để Tín hiệu sau mạch khuếch đại được đưa về PLC xử lí 11 1.8 Kết luận chương 1 Chương 1 đã trình bày được khái quát chung về hệ thống cân băng định lượng Xây dựng được cấu trúc chung của hệ thống cân băng định lượng; các thành phần của hệ thống gồm động cơ truyền động điện, biến tần, băng tải, bộ phận giảm tốc; lý thuyết về . NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN QUANG HUY “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PLC ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ TRONG CÔNG NGHỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG” . lý thực. Điều khiển hệ truyền động biến tần - động cơ đáp ứng yêu cầu công nghệ cân băng định lượng là một kỹ thuật tiên tiến, là một trong những công nghệ yêu cầu chất lượng điều khiển cao cao. Từ nghiên cứu nghiên cứu ứng dụng PLC để điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ theo yêu cầu công nghệ cân băng định lượng có thể phát triển vào trong các dây truyền công nghiệp như