Đồ án Ứng dụng plc vào hệ thống điều khiển thang máy

c tiếp mômen dựa trên lý thuyết điều khiển trường định hướng máy điện không đồng bộ, trong đó các đại lượng điện từ được mô tả bởi các vector từ thông, vector dòng điện và vector điện áp được biểu diễn trong hệ toạ độ stator. Mômen điện từ là tích vector từ thông stator và vector từ thông rôtor hoặc giữa vector dòng điện stator và vector từ thông: Biên độ vector từ thông stator thường được giữ không đổi và do đó mômen được điều chỉnh bởi góc g giữa các vector từ thông. Các động cơ bình thường có hằng số thời gian điện từ của mạch rotor cỡ hàng trăm miligiây, như vậy có thể coi từ thông rotor là ổn định và biến đổi chậm hơn từ thông stator. Vì thế có thể đạt được mômen yêu cầu bằng cách quay từ thông stator theo hướng nào càng nhanh càng có hiệu quả. Kỹ thuật điều khiển trực tiếp mômen như sau: Logic chuyển mạch của các khoá bán dẫn lực thực hiện việc tăng hay giảm mômen còn giá trị tức thời của từ thông stator được điều chỉnh sao cho mômen động cơ đạt được giá trị mong muốn. Vector từ thông stator này lại được điều chỉnh nhờ điện áp cung cấp cho nghịch lưu. Hay nói cách khác là logic chuyển mạch tối ưu xác định cho ta vector điện áp tối ưu tuỳ thuộc vào sai lệch mômen. Biên độ của vector từ thông stator cũng được tính đến khi chọn logic chuyển mạch. b. Mô hình động cơ Mô hình động cơ thành lập theo các mô hình cơ bản mô tả toán học động cơ không đồng bộ và sử dụng các phần tử tính toán có tốc độ cao. Mô hình động cơ tính toán ra các giá trị thực của mômen và từ thông dùng cho việc điều chế, nó cũng tính ra được tốc độ quay của rôtor và tần số dòng stator để dùng cho các mạch vòng điều chỉnh bên ngoài. Mô hình động cơ còn có chức năng nhận dạng thông số của động cơ dùng cho việc tính toán, hiệu chỉnh. Độ chính xác của mô hình là rất quan trọng, bởi vì trong hệ thống không dùng thiết bị đo tốc độ trục động cơ, tín hiệu đo lường chỉ gồm dòng điện 2 pha của động cơ và giá trị tức thời của điện áp mạch một chiều . 2.1.3. chọn phương án truyền động Qua các phân tích ở trên và dựa vào yêu cầu công nghệ đặt ra; đồng thời căn cứ vào số tầng phục vụ mà lựa chọn hệ thống truyền động tối ưu sao cho thoả mãn được một cách hài hoà nhất giữa các chỉ tiêu về kinh tế và kỹ thuật. Do tính chất của phụ tải trong truyền động thang máy yêu cầu có khả năng đảo chiều với tải thế năng. Hơn nữa đối với toà nhà cao 7 tầng thì không yêu cầu thang máy phải có tốc độ cao lắm. Vì vậy trong bản đồ án này ta sử dụng hệ thống Bộ biến tần - Động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc, làm phương án truyền động cho thang máy. 2.2 – CÁC HỆ THỐNG KHỐNG CHẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY 2.2.1. Tín hiệu hoá cho hệ thống điều khiển thang máy Để việc điều khiển vận hành thang máy diễn ra chính xác thì các tín hiệu đưa về phải đảm bảo phản ánh được chính xác tình trạng hệ thống. Căn cứ vào các tín hiệu này, hệ điều khiển sẽ xử lý và đưa ra các tín hiệu điều khiển các cơ cấu chấp hành trong hệ thống. Các tín hiệu này được mô tả như sau : - Để ghi nhận mọi tín hiệu gọi thang cũng như các tín hiệu yêu cầu đến tầng, người ta bố trí các các nút ấn gọi thang ở các tầng và các nút ấn đến tầng được bố trí trong Cabin. Trừ tầng thượng chỉ có nút gọi xuống và tầng 1 chỉ có nút gọi lên. Trong Cabin nút ấn đến tầng, đóng mở cửa nhanh, báo động ... được bố trí vào một bảng điều khiển. Tuỳ theo hệ điều khiển, các công tắc này có thể là thường đóng hoặc thường mở. Khi bị tác động chúng sẽ đóng cắt mạch điện, từ đó tác động về hệ điều khiển. - Để thông tin cho người sử dụng biết trạng thái hoạt động của thang người ta sử dụng các mạch hiển thị. Đó có thể đơn giản là các đèn LED hay các mạch hiển thị 7 thanh ... được bố trí ở các tầng cũng như trong Cabin nhằm hiển thị vị trí hiện tại của thang, chiều chuyển động lên hay xuống, trạng thái của các nút ấn, thứ tự ưu tiên ... - Để xác định vị trí hiện tại của thang, người ta sử dụng các Sensor báo vị trí phi tiếp điểm. Trong đó, phần tĩnh của Sensor được gắn dọc theo chiều chuyển động của thang, còn phần động được gắn với buồng thang. - Để lấy tín hiệu về cho việc dừng động cơ khi xảy ra trường hợp đứt cáp, trượt cáp, người ta bố trí các cảm biến trong bộ điều tốc. Để lấy tín hiệu cho các thiết bị tự động khống chế dừng và thiết bị hạn chế người ta bố trí các Sensor ở đỉnh và đáy thang. Vị trí của các Sensor phụ thuộc vào phản ứng của hệ thống điều khiển khi nhận được tín hiệu từ các Sensor đó, vào thời gian trễ của hệ thống, cơ cấu chấp hành và quán tính của hệ thống. - Để đảm bảo việc dừng chính xác tại một tầng thì ngoài Sensor báo vị trí tầng còn phải sử dụng các Sensor thông báo về yêu cầu tốc độ. Nói cách khác, ở mỗi một tầng phải tồn tại vùng dừng mà ở đó dù Cabin đang ở trên hay dưới tầng đều phải giảm tốc độ để thực hiện dừng chính xác. Độ lớn của vùng này phụ thuộc vào tốc độ của thang (xem phần dừng chính xác buồng thang) . Để cho việc xác định vị trí và điều khiển thang chính xác thì ở mỗi tầng thường bố trí nhiều Sensor. - Để đảm bảo thang không chuyển động khi quá tải có thể bố trí Sensor dưới sàn Cabin. Khi khối lượng vượt quá giới hạn cho phép, sàn thang dưới tác động đủ lớn của trọng lượng sẽ tác động lên các Sensor, từ đó đưa tín hiệu đến phần bảo vệ của hệ điều khiển. - Ngoài ra, thang máy còn sử dụng các khoá liên động để đảm bảo thang chỉ có tín hiệu khởi động khi cửa tầng và cưả buồng thang đã đóng, không cho phép gọi tầng khi thang không có người, lập tức dừng thang khi buồng thang đang chạy mà vì một lý do nào đó cửa thang bị mở ra... 2.2.2. Hệ thống điều khiển thang máy sử dụng các phần tử có tiếp điểm 2.2.2.1 Các loại cảm biến có tiếp điểm và nhược điểm của chúng Trong thang máy tốc độ trung bình và thấp, người ta thường sử dụng các công tắc hành trình. Đây là một thiết bị cơ-điện có tay gạt với 3 tiếp điểm, tương ứng với 3 trạng thái đầu ra. Công tắc hành trình có ưu điểm là các trạng thái đầu ra rất rõ ràng. Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của nó là tuổi thọ giảm khi hoạt động ở tốc độ cao và gây tiếng ồn lớn. Do những nhược điểm trên nên trong thang máy tốc độ cao người ta không sử dụng công tắc hành trình mà thay vào đó là các loại cảm biến không tiếp điểm được trình bày trong phần dưới đây. 2.2.2.2 Hệ thống tự động khống chế thang máy tốc độ trung bình sử dụng các phần tử cơ khí, phần tử điều khiển có tiếp điểm : Hệ truyền động điện dùng cho thang máy có tốc độ chậm và trung bình thường là hệ truyền động xoay chiều với động cơ không đồng bộ. Hệ này thường dùng cho các thang máy trở khách trong các nhà cao tầng (5 ¸ 10 tầng) với tốc độ di chuyển buồng thang dưới 1 m/s. Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động thang máy được giới thiệu trên hình 4-1. Trong đó : C1 ¸ C7 là là các công tắc cửa của các tầng. Ck là công tắc cửa Cabin. DB và DK là các công tắc dự phòng trong Cabin. DP1 và DP2 là các công tắc dự phòng thang trôi được đặt trong hố thang. D1 ¸ D7 là các công tắc điểm cuối của các tầng. RCT1 ¸ RCT7 là các rơle chuyển tầng. R1 ¸ R7 là các rơle chuyển tầng. CTT công tắc từ chuyển tầng. N1 ¸ N7 là các nút ấn gọi thang ở các tầng. NK1 ¸ NK7 là các nút ấn đến tầng trong Cabin. T1 ¸ T7 là các tiếp điểm thường kín của các rơle chuyển tầng. CTK là công tắc đèn trong Cabin. RN và RH là cuộn dây của các rơle nâng và rơle hạ. KN và KH là cuộn dây của công tắc tơ nâng và công tắc tơ hạ. Hệ thống được cấp nguồn qua aptomát AP. Các cuộn dây Stato của động cơ được nối vào nguồn cung cấp nhờ các tiếp điểm của các côngtắctơ nâng KL hoặc côngtắctơ hạ KX. Nguồn cung cấp cho mạch điều khiển được lấy từ một pha qua biến áp cách ly và chỉnh lưu để được điện áp một chiều +15V. Khi AP đóng, nếu cả 3 pha đều có điện áp thì các cuộn dây của các côngtắctơ KA và KB có điện, các tiếp điểm thường mở của nó đóng lại và cấp nguồn cho biến áp BA. Khi đó mới có điện áp một chiều đưa đến toàn bộ mạch điều khiển. Các cửa tầng được trang bị các công tắc liên động C1 ¸ C7 và công tắc cửa Cabin Ck. Hình 4-1 Hệ thống tự động khống chế thang máy tốc độ trung bình Khi buồng thang đang ở tầng 1. Khi đó, công tắc điểm cuối D1 và công tắc từ CTT đóng, rơle chuyển tầng RCT1 có điện làm cho tiếp điểm thường kín RCT1 mở ra. Điều này đảm bảo rằng : nếu cố tình ấn các công tắc gọi thang N1 hoặc công tắc gọi tầng 1 NK1 thì công tắc tơ hạ KH và rơle hạ RH đều không được cấp điện và sẽ không có một thao tác nào được thực hiện. Tương tự, khi buồng thang đang ở tầng 7 thì D7 và CTT đóng, RCT7 có điện, tiếp điểm thường kín RCT7 mở ra làm mất tác dụng của các nút ấn gọi thang N7 và gọi tầng 7 NK7. Giả sử buồng thang đang ở tầng 2, D2 đóng, RCT2 có điện. Các tiếp điểm thường kín của nó mở ra làm cho các cuộn dây của công tắc tơ KN, KH và rơle RN, RH đều hở mạch. Xét nguyên lý làm việc của sơ đồ khi cần lên tầng 4 : Hành khách đi vào buồng thang, đóng cửa tầng và cửa Cabin và ấn nút gọi tầng NK4, rơle tầng R4 có điện, các tiếp điểm thường mở của nó đóng lại. Các cuộn dây của công tắc tơ nâng KN và rơle nâng RN được cấp điện qua KH, RCT5, RCT4 và R4. Các tiếp điểm thường mở của chúng đóng lại, động cơ được cấp điện và thang chuyển động đi lên. Khi nhả NK4 thì các cuộn dây này vẫn được duy trì nguồn cung cấp nhờ các tiếp điểm RN và R4 vẫn đóng. Khi buồng thang đến gần ngang sàn tầng 4, công tắc điểm cuối D4 đóng lại, cuộn dây RCT4 có điện, tiếp điểm thường kín RCT4 mở ra làm cho các cuộn dây KN và RN mất điện, động cơ chính và động cơ phanh mất điện. Cơ cấu hãm điện từ sẽ tác động làm dừng buồng thang. Để đảm bảo dừng động cơ một cách chắc chắn, khi mà vì một lý do nào đó mà tiếp điểm thường kín RCT4 không mở ra, người ta bố trí các tiếp điểm thường kín T1¸T7 nối tiếp với các rơle chuyển tầng R1 ¸ R7. Lúc này, (do rơle chuyển tầng RCT4 có điện) T4 mở ra, làm cho R4 mất điện, các tiếp điểm R4 mở ra, sẽ làm hở mạch cuộn KN và RN. Trong sơ đồ có 7 đèn báo tầng L16 ¸ L76 và đèn báo thang máy đang chuyển động lên LBN6, xuống LBH6 lắp ở trên mỗi cửa tầng và trong Cabin. LK là đèn chiếu sáng Cabin. Hệ thống truyền động thang máy với các tiếp điểm cơ khí tuy đơn giản nhưng có các nhược điểm sau : Độ tin cậy thấp. Có tiếng ồn do các tiếp điểm cơ khí gây ra. Tác động chậm, độ chính xác thấp nên không được sử dụng trong các thang máy tốc độ cao (các thang máy chở hàng). 2.2.3. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY SỬ DỤNG CÁC PHẦN TỬ PHI TIẾP ĐIỂM 2.2.3.1. Các loại cảm biến không tiếp điểm : Các bộ cảm biến không tiếp điểm có rất nhiều loại, được ứng dụng trong rất nhiều hệ thống điều khiển, đo lường, điều khiển và bảo vệ. Trong phần này sẽ mô tả một số phần tử cảm biến không tiếp điểm được sử dụng trong thực tế. a. Công tắc vị trí kiểu cảm ứng : Cấu tạo và đặc tuyến của công tắc chuyển đổi tầng dùng cảm biến vị trí kiểu cảm ứng có dạng như hình 2-1. Cấu tạo của nó bao gồm : mạch từ hở 2, cuộn dây 3. Khi mạch từ hở, do điện kháng của cuộn dây bé, dòng xoay chiều qua cuộn dây tương đối lớn. Khi thanh sắt động 1 làm kín mạch từ, từ thông sinh ra trong mạch từ tăng làm tăng điện cảm L của cuộn dây và dòng đi qua cuộn dây sẽ giảm xuống. Hình 4-2 Cảm biến vị trí kiểu cảm ứng Hình 4-3 Transistor quang Nếu đấu nối tiếp với cuộn dây của bộ cảm biến một rơle ta sẽ được một phần tử phi tiếp điểm dùng trong hệ thống điều khiển. Tuỳ theo mục đích sử dụng có thể dùng nó làm công tắc chuyển đổi tầng, cảm biến dừng chính xác buồng thang hoặc cảm biến chỉ thị vị trí buồng thang ... b. Transistor quang : Đây là loại Transistor loại PNP hoặc NPN. Dưới tác dụng của ánh sáng nó phát sinh một dòng điện tương ứng với lượng ánh sáng. c. Phần tử HALL : Phần tử HALL là một chất bán dẫn. Nếu dòng điện B+ được cung cấp một cách không đổi đến phần tử HALL và từ trường được đưa vào thẳng góc với chiều của dòng điện này thì điện áp sẽ được phát sinh thẳng góc với chiều dòng điện. d. Bộ cảm biến hồng ngoại : Các bộ cảm biến hồng ngoại lợi dụng sự toả nhiệt của cơ thể người phát ra một năng lượng hồng ngoại yếu. Các bộ cảm biến kiểu này có độ nhạy rất cao, thuận tiện, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực. Bộ cảm biến hồng ngoại HN911L là một linh kiện có chất lượng tốt có mạch điện ứng dụng như hình 4-5. Điện ỏp Dũng điện Phần tử HALL Hình 4-4 Phần tử HALL +12V Đầu ra 100 470 K1 HC205 HN911L 3 4 5 1 2 6 Hình 4-5: Bộ cảm biến hồng ngoại HN911L 2.2.4. KHÁI NIỆM HỆ ĐIỀU KHIỂN RƠLE 2.2.4.1. Hệ điều khiển rơle Vào thời điểm ban đầu của cuộc cách mạng công nghiệp, đặc biệt là vào những thập niên 60 & 70, các hệ thống máy móc tự động được điều khiển bởi các hệ thống rơle điện/cơ. Các rơle này được “ nối cứng ” với nhau đặt trong một tủ điều khiển. Trong một số trường hợp, nó lớn đến mức có thể chiếm cả một căn phòng. Tất cả các đường kết nối trong hệ thống rơle đều phải được nối lại với nhau. Việc làm này tốn rất nhiều thời gian. Đặc biệt là khi phải giải quyết các sự cố của hệ thống. Và bất lợi lớn nhất là các rơle chỉ có số tiếp hạn chế nhất định. Khi cần có sự thay đổi thì máy móc phải ngừng làm việc, có khi phải cần thay đổi cả vị trí lắp đặt. Tủ điều khiển chỉ có thể phục vụ cho một quá trình hoạt động nhất định nào đó của hệ thống; có nghĩa là nó không thể thay đổi ngay lập tức để phục vụ một quá trình hoạt động khác mà cần phải có sự thay đổi lại cách đấu dây trong hệ thống. Việc làm đó đòi hỏi người vận hành phải được đào tạo để có kỹ năng thành thạo trong việc xử lý hệ thống. Nói chung, hệ thống điều khiển bằng rơle có tiếp điểm là rất phức tạp. 2.2.4.2. Các nhược điểm của hệ điều khiển rơle có tiếp điểm: Hệ điều khiển rơle có tiếp điểm có các nhược điểm sau: Có quá nhiều dây nối trong tủ điều khiển. Việc thay đổi cấu trúc tủ điều khiển là rất khó khăn. Việc khắc phục các sự cố đòi hỏi người công nhân phải có tay nghề cao. Năng lượng do các cuộn dây tiêu thụ là khá lớn. Thời gian dừng máy để sửa chữa khi có sự cố là khá dài do phải tốn thời gian để tìm sự cố trong tủ điều khiển. Sơ đồ mạch không được cập nhật sau nhiều năm vận hành trong khi vẫn có sự thay đổi sơ đồ đấu dây trong tủ điều khiển, điều này làm kéo dài thời gian sửa chữa khi có sự cố. 2.2.5. KHÁI NIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH 2.2.5.1. Hệ thống điều khiển sử dụng thiết bị điều khiển logic khả trình Nhìn một cách tổng thể thì một hệ thống điều khiển (Control System) là một tập hợp các linh kiện và thiết bị điện tử được lắp đặt để đảm bảo sự làm việc ổn định, chính xác và trơn tru của một quá trình hoặc một hoạt động sản xuất nào đó. Nó được phân ra thành rất nhiều loại với nhiều mức độ khác nhau, từ các nhà máy sản xuất năng lượng lớn đến các máy móc sử dụng công nghệ bán dẫn. Do sự phát triển như vũ bão của công nghệ, các hoạt động điều khiển phức tạp được thực hiện bởi các hệ thống điều khiển tự động chất lượng cao, có thể là thiết bị điều khiển khả trình (Programable Logic Controller - PLC) hoặc có thể là một máy tính chủ v.v... Bên cạnh khả năng giao tiếp với các thiết bị thu nhận tín hiệu (tủ điều khiển, các động cơ, các sensor, các công tắc, các cuộn dây rơle v.v... ), hệ thống điều khiển hiện đại còn có thể nối thành mạng để điều khiển các quá trình có mức độ phức tạp cao cũng như các quá trình có liên hệ mật thiết với nhau. Mỗi một thiết bị đơn lẻ trong hệ thống điều khiển có một vai trò quan trọng riêng không phụ thuộc vào kích thước của nó. Trong ví dụ được chỉ ra trên hình 1-1 (Chương 1 – Phần II), thiết bị PLC không thể biết được những gì đang xảy ra xung quanh nó nếu thiếu những sensor báo tín hiệu. Nó cũng không thể kích hoạt một chuyển động cơ khí nếu không có động cơ chấp hành. Và nếu cần thiết thì một máy tính chủ phải được lắp đặt để điều khiển đồng bộ các hoạt động có liên hệ mật thiết với nhau. Cũng có những ứng dụng mà trong đó chỉ cần một thiết bị PLC đơn lẻ điều khiển một hoặc một vài thiết bị khác. 2.2.5.2. Các ưu điểm của hệ thống điều khiển sử dụng thiết bị điều khiển logic khả trình Hệ thống điều khiển sử dụng thiết bị điều khiển logic khả trình có các ưu điểm sau: Việc đấu dây có thể giảm được 80% so với hệ thống điều khiển sử dụng rơle thông thường. Lượng năng lượng tiêu thụ được giảm đáng kể do PLC tiêu thụ công suất không đáng kể. Các chức năng tự phân tích chương trình điều khiển hệ thống giúp cho việc kiểm soát hệ thống một cách dễ dàng. Việc thay đổi trình tự thực hiện chương trình hoặc thay đổi cả chương trình ứng dụng rất dễ dàng bằng cách lập trình thông qua thiết bị lập trình hoặc phần mềm chạy trên máy vi tính mà không phải thay đổi cách đấu dây, không cần thêm bớt các thiết bị vào/ra ( I/O ). Các bộ định thời được tích hợp bên trong PLC làm giảm phần lớn các rơle và mạch cứng định thời gian so với hệ thống điều khiển sử dụng rơle thông thường. Thời gian thực hiện chu kỳ máy được cải thiện một cách đáng kể do tốc độ hoạt động của PLC chỉ cỡ mili giây ms. Do đó năng suất lao động tăng lên một cách đáng kể. Giá thành hệ thống hạ hơn một cách đáng kể so với hệ thống điều khiển sử dụng rơle thông thường trong trường hợp các đầu vào/ra là rất lớn và hoạt động điều khiển rất phức tạp. Tính tin cậy của PLC cao hơn so với các rơle và các bộ định thời cơ khí. Chương trình trong PLC có thể in ra một cách dễ dàng trong vài phút. Do đó ta có thể cập nhật chương trình trong PLC một cách dễ dàng. 2.3. CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG CHO THANG MÁY Dựa vào yêu cầu công nghệ đặt ra và căn cứ vào những phân tích các phương án ở trên ta chọn phương án truyền động cho thang máy trong đồ án này là: Sử dụng động cơ điện xoay chiều 3 pha điều khiển bằng PLC ghép nối qua biến tần. Vì hệ thống này có nhiều ưu điểm, đáp ứng các yêu cầu về vận tốc, gia tốc, độ giật, hãm dừng chính xác . . . Phần 3 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BIẾN TẦN VÀ PLC S7 - 200 SIEMENS 3.1. GIỚI THIỆU PLC S7-200 3.1.1 - Giới thiệu phần cứng. PLC, viết tắt của Programmaable Logic Control, là thiết bị điều khiển logic lập trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển thông qua ngôn ngữ lập trình. S7-200 là thiết bị điều khiển khả trình loại nhỏ của hang siemens có cấu trúc theo kiểu modul và có các modul mở rộng. Các modul này được sử dụng cho nhiều những ứng dụng lập trình khác nhau. 3.1.1.1 - Sơ đồ cấu trúc. Hình 4.1: Cấu trúc của PLC. Cấu trúc PLC S7-200 gồm 3 phần chính: + Bộ xử lý trung tâm (CPU) + Bộ nhớ (Memory Area) + Bộ vào và ra (Input Area và Output Area) Bộ xử lý trung tâm (CPU). Thành phần cơ bản của S7-200 là khối vi xử lý CPU 212 hoặc CPU 214 vv... +) CPU 212 bao gồm. Hình 4.2: CPU 212 họ S7-200 của SIEMENS. - 512 từ đơn tức là 1kbyte để lưu giữ chương trình thuộc miền nhớ đọc ghi được và không bị mất dữ liệu nhờ có giao diện với EEPROM. Vùng nhớ với tính chất như vậy gọi là vùng nhớ non-volatile. - 8 cổng vào và 6 cổng ra logic - Có thể ghép nối mở rộng thêm hai modul mở rộng để tăng thêm số cổng vào ra, bao gồm cả cổng vào ra tương tự. - Tổng số cổng vào ra cực đại là 64 cổng vào và 64 cổng ra - 64 bộ định thời gian (timer) trong đó có 2 bộ có độ phân giải là 1ms, 8 bộ có độ phân giải 10ms và 54 bộ có độ phân giải 100ms. - 64 bộ đếm (counter) chia làm hai loại : loại chỉ đếm tiến là loại vừa đếm tiến vừa đếm lùi. - 368 bit nhớ đặc biệt, sử dụng các bít trạng thái hoặc các bit đặt chế độ làm việc. - Có các chế độ ngắt và xử lý tín hiệu ngắt khác bao gồm : ngắt truyền thông, ngắt theo sườn lên hoặc sườn xuống, ngắt theo thời gian và ngắt báo hiệu của bộ đếm tốc độ cao (2kHz). - Bộ nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 50 giờ kể từ khi PLC bị mất nguồn nuôi. +) CPU 214. Hình 4.3: CPU 214 họ S7-200 của SIEMENS. CPU 214 bao gồm : - 4 kbyte từ đơn thuộc bộ nhớ đọc ghi được (non-volatile) để lưu chương trình ( nhờ có giao diện với bộ nhớ EPROM). - 4 kbyte từ đơn thuộc bộ nhớ đọc ghi được để lưu dữ liệu, trong đó 1kbyte từ đầu thuộc vùng nhớ non-volatile. - 14 cổng vào và 10 cổng ra logic - Có thể mở rộng được 7 modul vào ra bao gồm cả modul tương tự. - Tổng số cổng vào ra cực đại là 64 cổng vào và 64 cổng ra. - 128 bộ định thời gian chia ra làm ba loại theo độ phân giải khác nhau : 4 bộ có độ phân giải 1ms, 16 bộ có độ phân giải 10ms, 108 bộ có độ phân giải 100ms. - 128 bộ đếm chia làm hai loại : loại chỉ đếm tiến và loại vừa đếm tiến vừa đếm lùi, 3 bộ đếm tốc độ cao với nhịp 2 kHz và 7 kHz - 688 bít nhớ dùng để thay đổi trạng thái và đặt chế độ làm việc. - Các chế độ ngắt và xử lý ngắt bao gồm : ngắt truyền thông, ngắt theo sườn lên hoặc sườn xuống, ngắt theo thời gian và ngắt báo hiệu của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền xung. - 2 bộ phát xung nhanh cho kiểu xung PTO hoặc kiểu xung PWM - Bộ nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190 giờ kể từ khi PLC bị mất nguồn nuôi. * Hệ thống các đèn báo trên CPU 214 : - SF : đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị hỏng, đèn sáng lên khi PLC có hỏng hóc. - 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, dừng chương trình đang thực hiện lại. - Ix. x : đèn xanh ở cổng nào chỉ định trạng thái tức thời ở cổng Ix. x, đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng vào. - Qx. x : đèn xanh ở cổng nào chỉ định trạng thái tức thời ở cổng Q x. x, đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng ra. * Công tắc chọn chế độ làm việc cho PLC : Công tắc chọn chế độ làm việc cho PLC nằm phía trên, bên cạnh các cổng ra của CPU, có ba vị trí cho phép chọn các chế độ làm việc khác nhau cho PLC. SF RUN STOP I0. 0 I0. 1 IO. 2 I0. 3 I0. 4 I0. 5 I0. 6 I0. 7 I1. O I1. 1 I1. 2 I1. 3 I1. 4 I1. 5 Q0. 0 Q0. 1 Q0. 2 Q0. 3 Q0. 4 Q0. 5 Q0. 6 Q0. 7 Q1. 0 Q1. 1 SIEMENS SIMATIC S7-200 SIMATIC Cổng truyền thông(RS485) Các cổng vào UUS-Protocal Analog out Các cổng ra Hình 4.4: Bộ điều khiển khả lập trình S7-200 với khối vi xử lý CPU214. - RUN : cho phép PLC thực hiện chương trình trong bộ nhớ, PLC sẽ rời khỏi chế độ RUN và chuyển sang chế độ STOP nếu trong máy có sự cố hoặc trong chương trình gặp lệnh STOP, thậm chí ngay cả khi công tắc ở chế độ RUN. - STOP : cưỡng bức PLC dừng công việc thực hiện chương trình đang chạy mà chuyển sang chế độ STOP. ở chế độ này PLC cho phép hiệu chỉnh lại chương trình hoặc nạp một chương trình mới. - TERM : cho phép máy lập trình quyết định một chế độ làm việc cho PLC hoặc ở RUN hoặc ở STOP. Hình 4.5: Sơ đồ các chân đầu vào và ra của CPU 214 AC/DC/Relay. Ghép nối S7-200 với máy tính PC qua cổng RS-232 với cáp nối PC/PPI và cạc chuyển đổi RS-232 /RS-485 Hình 4.6: Kết nối CPU 214 với máy tính qua cáp PC/PCI. * Pin và các nguồn nuôi: Sử dụng nguồn nuôi để ghi chương trình hoặc nạp chương trình mới có thể là nguồn trên mạng hoặc nguồn pin. * Nút điều chỉnh tương tự : Điều chỉnh tương tự cho phép điều chỉnh các biến cần thay đổi và sử dụng trong chương trình. Nút chỉnh Analog được nắp dưới nắp đậy bên cạnh các cổng ra. Thết bị chỉnh định có thể quay 270 độ. Bộ nhớ. * Bộ nhớ của S7-200 được chia làm 4 vùng có nhiệm vụ duy trì dữ liệu trong một khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn nuôi. Bộ nhớ S7-200 có tính năng động cao, đọc và ghi được trong toàn vùng loại trừ phần bit nhớ đặc biệt ký hiệu bởi SM (Specical memory) có thể truy nhập để đọc. * Phân chia bộ nhớ gồm : +) Vùng chương trình có tác dụng lưu chương trình điều khiển (chỉ có 1 chương trình) - Vùng dữ liệu có tác dụng lưu giữ các dữ liệu trong quá trình tính toán cũng như các kết quả trung gian. Dữ liệu có thể ghi ở dạng bit, byte, word, từ kép tuỳ theo kiểu tín hiệu thông qua kí hiệu địa chỉ. - Vùng dữ liệu được chia làm nhiều vùng nhỏ: + Vùng nhớ biến (variable memory): V + Vùng nhớ đầu vào (input image register): I + Vùng nhớ đầu ra (input image register): Q + Vùng nhớ lưu giữ (Intermal memory bits): M + Vùng nhớ đặc biệt (Spencia memory): SM * Để truy cập vùng nhớ ta phải tuân thủ theo đúng quy ước: +) Dữ liệu kiểu bit quy ước như sau: - Kí hiệu vùng nhớ + chỉ số byte + (.) + chỉ số bit Ví dụ: V150.4 : Chỉ bits 4của byte 150 thuộc miền V. - Dữ liệu kiểu byte quy ước như sau: Tên miền + B +địa chỉ byte trong miền Ví dụ: QB6, MB14 - Dữ liệu kiểu Word quy ước như sau: Tên miền + W + địa chỉ byte cao của từ trong miền. Ví dụ: VW12 (lấy địa chỉ ở byte 12, 13) - Muốn truy nhập 32 bit ta kí hiệu như sau: Tên miền + D + chỉ số byte cao Ví dụ: MD1 (lấy địa chỉ ở byte 1, 2, 3, 4) - Vùng tham số có tác dụng chứa các kí hiệu của câu lệnh các kí hiệu địa chỉ và các từ khoá. - Vùng đối tượng có tác dụng tạo ra các rơle thời gian, các bộ đếm, mỗi rơle thời gian và bộ đếm có một vùng nhớ 16 bit để ghi số đếm thời gian, và 1 bit để ghi giá trị logic vì vậy số đếm trong thanh ghi tối đa là 32767. Ngoài ra vùng này còn chứa vùng nhớ đệm cửa vào ra tương tự, và các thanh ghi cũng như các bộ đếm tốc độ cao và được kí hiệu các vùng theo các chữ: + Rơle thời gian: T + Bộ nhớ : C + Đệm cửa vào tương tự: AIW + Vùng đệm cửa ra tương tự: AQW + Thanh ghi: AC + Bộ đếm tốc độ cao: HC Bộ vào ra. PLC S7- 200 bao gồm các đầu vào tín hiệu số, các đầu ngắt và các đầu vào tương tự . Các đầu ra tín hiệu số kiểu rơ le và đầu ra tương tự . - Các cổng truyền thông : PLC S7-200 sử dụng cổng truyền thống nối tiếp RS485 với phích nối 9 chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm PLC khác. Để ghép nối S7-200 với máy lập trình PC 702 hoặc với máy thuộc họ PC7 xx khác có thể sử dụng một cáp nối thẳng qua cổng MPI. Chân Chức năng 1 Đất 2 Nguồn 24 VDC 3 Truyền nhận dữ liệu 4 Không sử dụng 5 Đất 6 Nguồn 5 VDC 7 Nguồn 24 VDC 8 Truyền nhận dữ liệu 9 Không sử dụng Hình 4.8: Sơ đồ chân cổng truyền thông RS 485. 5 1 2 4 3 7 6 8 9 Ghép nối S7-200 với máy tính PC qua cổng RS-232 với cáp nối PC/PPI và cạc chuyển đổi RS-232 /RS-485 3.1.1.2 - Mở rộng vào ra cho PLC. Hình 4.9 : Modul mở rộng EM 222 của PLC. Để tăng số lượng đầu vào đầu ra hoặc các cửa vào ra tương tự ta sử dụng thêm khối mở rộng. Số lượng khối mở rộng được quyết định bởi CPU, các khối này luôn được ghép bên phải khối cơ sở thông qua giắc cắm. Trên khối mở rộng không ghi địa chỉ mà địa chỉ phải được xác định thông qua kiểu khối mở rộng và vị trí của khối mở rộng với các khối cùng loại về phía bên trái. Vì vậy cách xác định địa chỉ như sau: - Địa chỉ được tính tăng dần chỉ số bắt đầu từ khối cơ sở. - Các byte đã sử dụng nhưng chưa hết các bít khi chuyển ra khối mới bắt đầu tính từ byte tiếp theo. Với các khối vào ra tương tự luôn để hai byte để phân cách. CPU 214 được lắp cố định chắc chắn trên rail cùng với các modul mở rộng kết nối với nhau bằng hệ thống bus. Hình 5.1: CPU 214 với các modul mở rộng. Địa chỉ đặt cho các modul mở rộng trên CPU 214 cho theo bảng dưới đây : CPU 214 Modul 0 4 vào/4 ra Modul 1 8 vào Modul 2 3 vào analog/ 1 ra analog Modul 3 8 ra Modul 4 3 vào analog/ 1 ra analog I0. 0 Q0. 0 . . . I0. 7 Q0. 7 I1. 0 Q1. 0 . . . I1. 5 Q1. 1 I2. 0 . . . I2. 3 Q2. 0 . . . Q2. 3 I3. 0 . . . I3. 7 AIW0 AIW2 AIW4 AQW0 Q3. 0 . . . Q3. 7 AIW8 AIW10 AIW12 AQW4 3.1.2 - Giới thiệu ngôn nhữ lập trình của S7-200. 3.1.2.1 - Phương pháp lập trình. - S7-200 biểu diễn một mạch vòng logic cứng khác một dãy các lệnh lập trình. Chương trình bao gồm 1 tập dãy các lệnh S7-200 thực hiện chương trình bắt đầu từ lệnh lập trình đầu tiên và kết thúc ở tập lệnh cuối trong một vòng. Một vòng như vậy gọi là vòng quét (Scan). Chu trình thực hiện là một chu trình lặp . Cách lập trình cho S7-200 nói riêng và cho các PLC của SIEMENS nói chung dựa trên 2 phương pháp cơ bản : - Phương pháp hình thang (Laddes logic:viết tắt là LAD) - Phương pháp liệt kê lệnh (Statement List: Viết tắt là STL) Nếu chương trình viết tắt theo kiểu LAD thiết bị lập trình sẽ tự tạo ra 1 chương trình theo kiểu STL tương ứng. Ngược lại không phải mọi chương trình được viết theo kiểu STL cũng có thể chuyển sang dạng LAD được. Bộ lệnh của phương pháp STL có chức danh tương ứng như các tiếp điểm, các cuộn dây và các trường hợp dùng trong LAD. Những lệnh này phải độc và phối hợp được trang thái đầu ra hoặc 1 giá trị logic cho phép, hoặc không cho phép thực hiện chức năng của một hay nhiều hộp. Phương pháp lập trình LAD. LAD là một ngôn ngữ lập trình bằng đồ hoạ. Những thành phần cơ bản dùng trong LAD tương ứng với các thành phần của bảng điều khiển kiểu role. Trong chương trình LAD các phần tử biểu diễn lệnh như sau : - Tiếp điểm là biểu tượng (Symbol) mô tả các tiếp điểm kiểu role. Các tiếp điểm đó có thể là thường đóng hoặc thường mở. - Cuộn dây (Coil) là biểu tượng mô tả rơ le được mắc theo chiều dòng điện cung cấp cho role . - Hộp (Box) là biểu tượng mô tả hàm khác nhau, nó làm việc khi có dòng điện chạy đến hộp. Những dạng hàm thường được biểu diễn bằng hộp là các bộ thời gian, bộ đếm và các hàm toán học. Cuộn dây và các hộp phải được mắc đúng chiều dòng điện. Mạng LAD là đường nối các phần tử thành 1 mạch hoàn thiện đi từ đường nguồn bên trái là dây nóng, đường nguồn bên phải là dây trung hoà hay là đường trở về của nguồn cung cấp. Dòng điện chạy từ trái qua phải các tiếp điểm đóng đến các cuộn dây hoặc các hộp trở về bên phải nguồn. Phương pháp lập trình STL. Phương pháp liệt kê lệnh STL là phương pháp thể hiện chương trình dưới dạng tập hợp các câu lệnh, mỗi câu lệnh trong chương trình kể cả những lệnh hình thức biểu diễn một chức năng PLC. Để tạo ra một chương trình STL, người lập trình cần hiểu rõ phương thức sử dụng ngăn xếp logic của S7-200. Ngăn xếp logic là một khối bit chồng lên nhau. Tất cả các thuật toán liên quan đến ngăn xếp đều chỉ làm việc với bit đầu tiên hoặc với đầu và bit thứ 2 của các ngăn logic. Bit đầu tiên của ngăn xếp S0 Bít thứ 2 của ngăn xếp S1 Bít thứ 3 của ngăn xếp S2 Bít thứ 4của ngăn xếp S3 Bít thứ 5 của ngăn xếp S4 Bít thứ 6 của ngăn xếp S5 Bít thứ 7của ngăn xếp S6 Bít thứ 8 của ngăn xếp S7 Bít thứ 9 của ngăn xếp S8 Giá trị logic mới đều có thể được gửi vào ngăn xếp. Khi phối hợp 2 bit đầu tiên của ngăn xếp thì ngăn xếp sẽ được kéo thêm 1 bit. 3.1.2.2 – Cú pháp hệ lệnh của S7-200. Lệnh vào/ra. - Lệnh LD (load) nạp giá trị logic của một tiếp điểm vào trong bit đầu tiên của ngăn xếp. Các giá trị cũ còn lại trong ngăn xếp bị đẩy lùi xuống 1 bit. - Lệnh = (OUTPUT) sao chép nội dung của bit đầu tiên trong ngăn xếp vào bit được chỉ định trong lệnh nội dung của ngăn xếp không bị thay đổi . Phương pháp chung của 2 lệnh trên là truy nhập theo bit. I1.O QO.1 VD: LD I1.0 = Q0.1 C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 cC8 I1.0 C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 I1.0 C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 Trước LD I1.0 Q1.0 Các lệnh logic đại số Boolean. Các lệnh đại số Boolean cho phép tạo được các mạch logic ( không có nhớ ). Trong LAD các lệnh này được biểu diễn thông qua cấu trúc mạch mắc nối tiếp hay song song các tiếp điểm thường đóng hay thường mở . STL có thể sử dụng các lệnh A(and) và 0 (or) cho các hàm hở hoặc các lệnh AN (and not ), ON ( ornot ) cho các hàm kín. Giá trị ngăn xếp thay đổi phụ thuộc vào từng lệnh, toán hạng các lệnh trên I, Q, M ,N ,T , C , V. - Lệnh A (and ). Kiểm tra các điều kiện có thoả mãn hay không. làm phép toán and giữa mạch logic của tiếp điểm và giá trị bit đầu tiên trong ngăn xếp, kết quả được ghi vào bit đầu tiên trong ngăn xếp. I0.0 I0.1 Q1.0 m=I0.0^I0.1 LD I0.0 A I0.1 = Q1.0 VD: Trước LD I0.0 A I0.1 =Q 1.0 C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 I0.0 C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 m C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 m C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 - Lệnh AN (and-not ) Thực hiện toán tử and giữa giá trị stack 0 với giá trị lôgic nghịch đảo của tiếp điểm. Kết quả ghi được ghi vào stack 0. I1.0 I1.1 Q0.1 LD I1.0 AN I1.1 = Q0.1 VD: - Lệnh O (or ). Thực hiện toán tử V(0 )giữa các giá trị logic của stack 0 và giá trị logic của tiếp điểm. Kết quả được ghi vào stack 0. - Lệnh ON (or-not). Thực hiện toán tử V(0) giữa giá trị nghịch đảo của tiếp điểm và giá trị logic của stack0. Kết quả được ghi vào stack0. - Lệnh LPS(logic push). Sao chụp giá trị của bit đầu tiên vào bit thứ hai trong ngăn xếp. giá trị còn lại đẩy lùi xuống một bit, bit cuối cùng bị đẩy lùi xuông ngăn xếp. - Lệnh LRD(logic read). Sao chép giá trị của bít thứ hai vào bit đầu tiên trong ngăn xếp, giá trị còn lại thì giữ nguyên trong vị trí. - LPP (logic POP). Kéo ngăn xếp lên 1 bit giá trị của bit sau được chuyển lên bit trước. Toán hạng của 5 lệnh OLD, ALD, LPS,LRS, LPP, là không có. I0.0 I0.1 Q0.0 Q0.0 I1.0 Q0.1 LD I 0.0 LPS LD I 0.1 O I 1.0 ALD = Q 0.0 LRD LPP A I 0.3 = Q 0.1 I0.3 VD: ALD Trước LDI0.0 LPS LD I0.1 O I1.0 Q 0.0 C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 I0.0 C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 I0.0 I0.0 C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 I0.1 I0.0 I0.0 C0 C1 C2 C3 C4 C5 m1 I0.0 I0.0 C0 C1 C2 C3 C4 C5 m1 I0.0 C0 C1 C2 C3 C4 C5 I0.0 I0.0 C0 C1 C2 C3 C4 C5 I0.0 C0 C1 C2 C3 C4 C5 m2 C0 C1 C2 C3 C4 C5 m2 C0 C1 C2 C3 C4 C5 LRD LPP A I0.3 =Q0.1 * Chú ý: Sơ đồ LAD này không soạn thảo được các phần mềm hiện có . Nó được dùng ở đây để mô tả mạch logic của chương trình STL tương ứng bên cạnh. Khi dùng các lệnh LPS, LPP, LRD bắt buộc phải viết trong STL. - Các lệnh ghi - xoá giá trị cho tiếp điểm. Lệnh S (Set) / R(Reset) dùng để đóng ngắt các tiếp điểm gián đoạn đã được thiết kế. Dùng để lưu giữ các kết quả của phép toán logic. Trong LAD , logic điều khiển dòng điện đóng hoặc ngắt những cuộn dây đầu ra. Khi dòng điều khiển đến các cuộn đây thì các cuộn đây đóng mở tiếp điểm ( hoặc một dây tiếp điểm ). Nếu Stack 0 có giá trị bằng ''1'' các lệnh S/R sẽ đóng ngắt tiếp điểm hoặc một dây tiếp điểm ( giới hạn từ 1 đến 55 ). Nội dung của ngăn xếp không bị thay đổi giá trị này. Phương pháp truy nhập của 2 giá trị này là Byte, bit. - Các lệnh can thiệp vào thời gian vòng quét. Dùng để kết thúc chương trình đang thực hiện và kéo dài khoảng thời gian một vòng quét. - Lệnh END. Lệnh kết thúc chương trình chính hiện hành có điều kiện Stack 0 có giá trị logic bằng "1". - Lệnh MEND. Lệnh kết thúc không điều kiện chương trình chính hiện hành . - Lệnh STOP. Lệnh kết thúc chương trình hiện hành , chuyển sang chế độ STOP - lệnh WDR. Lệnh khởi tạo đồng hồ quan sát . - Lệnh NOP. Lệnh rỗng, không có hiệu lực trong chương trình hiện hành. Lệnh này phải được đặt bên trong chương trình chính, chương trình con hoặc trong chương trình xử lý ngắt . - Các lệnh điều khiển Timer. Timer là bộ thời gian trễ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra nên trong điều khiển vẫn được gọi là khâu trễ. S7-200 có 64 Timer cới CPU 212 hoặc 128 Timer với CPU214 được chia làm 2 loại khác nhau đó là: - Timer tạo thời gian trễ không có nhớ (on delay Timer): TON. - Timer tạo thời gian trễ có nhớ (Retentive on delaytimer): TONR Hai kiểu Timer của S7-200 (TON và TONR) phân biệt với nhau ở phản ứng của nó với tín hiệu đầu vào . - Lệnh TON. Khai báo Timer kiểu TON để tạo thời gian trễ tính từ đầu vào IN được kích . Nếu như giá trị đếm tức thời lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt trước PT thì T bit có giá trị logic bằng 1 . Có thể Reset Timer kiểu TON bằng lệnh R hoặc bằng giá trị logic O tại đầu vào IN. Tạo thời gian trễ trong khoảng thời gian (miền liên thông ) Độ phân giải Giá trị cực đại CPU 212 và CPU214 CPU214 1ms 32,767 s T32 T96 10ms 327,67 s T33-T36 T97-T100 100ms 3276,7 s T37-T63 T101-T127 Phương pháp truy nhập theo WORD I0.0 TON T37 IN K 100 PT T37 Q0.0 NETWORK 1 LD I0.0 TON T37 NETWORK 2 K100 LD T37 = Q0.0 +Timer T33 có độ phân giải 10ms + Thời gian trễ T = 100. 10 ms = 1s. + Khi I0.0 đặt trạng thái "1"thì sau 1s Q0.0 sẽ có trạng thái "1" + Giản đồ thời gian tương ứng. I0.0 T37 (word) T37 ( bit) và Q0.0 PT=100 PT=100 RESET nhớ tín hiệu vào - Lệnh TONR Khai báo Timer kiểu TONR để tạo thời gian trễ tính từ khi đầu vào IN được kích . Nếu như giá trị đếm tức thời lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt trước PT thì T bit có giá trị logic 1. Chỉ có thể logic Timer kiểu TONR bằng lệnh R cho T bit. Tạo thời gian trễ trong nhiều trường hợp khác nhau: Độ phân giải Giá trị cực đại CPU 212 và CPU214 CPU214 1ms 32,767 s T0 T64 10ms 327,67 s T1 - T4 T65 - T68 100ms 3276,7 s T5-T31 T69 -T95 I0.0 TONR T1 IN PT T 1 K 100 +- = w R I1.0 T1 K150 TONR T1 R T1 K1 K100 IN PT == w NETWORK 1 LD I 1.0 TONR T1 K100 NETWORK 2 LDW= T1 K150 R T1 K1 Giản đồ thời gian tương ướng: CT1 có độ phân giải =100ms. Khoảng thời gian đặt trước T1+T2 =100*10ms +150*10ms. I0.0 T1 T2 Giá trị đếm tức thời = 100 Giá trị đếm tức thời =150 T1 (bit) T1 (word) Phần 4 ỨNG DỤNG PLC VÀ BIẾN TẦN VÀO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 3 PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN 4.1.1. Vector không gian của các đại lượng 3 pha. 4.1.1.1. Xây dựng vector không gian: Động cơ đồng bộ hay không đồng bộ đều có ba cuộn dây với dòng điện ba pha bố trí như sau: Trong đó 3 dòng điện isa, i sb, i sc là 3 dòng chảy từ lưới qua đầu nối vào động cơ. Khi chạy động cơ bằng biến tần thì đó là 3 dòng ở đầu ra của biến tần, ba dòng đó thoả mãn phương trình: isa(t) + isb(t) + isc(t) = 0 (3.1) Và từng dòng điện đó thoả mãn công thức sau: isa =| is| . cos(t) isb =| is| . cos(t +1200) (3.2 isc =| is| . cos(t +2400) Trên mặt phẳng cơ học động cơ xoay chiều 3 pha có 3 cuộn dây đặt lệch nhau một góc 1200. Nếu trên mặt phẳng cắt đó ta thiết lập một hệ toạ độ phức với trục thực đi qua cuộn dây a của động cơ ta có thể xây dựng vector không gian sau đây: is(t) = .[isa(t) + isb(t).ej120 + isc(t).ej240] = | is|.ej  (3.3) Theo công thức trên thì vector is(t) là một vector có modul không đổi quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc . fs và tạo với trục thực một góc pha s(t). Trong đó fs là tần số mạch stator. Việc xây dựng véc tơ is(t) được mô tả trong hình sau. Hình 3.1: Thiết lập các vector không gian từ các đại lượng pha. Qua hình vẽ ta thấy dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của vector mới thu được lên trục của cuộn dây pha tương ứng. Ta đặt tên cho trục thực có mặt phẳng phức là và trục ảo là , hình chiếu của vector dòng xuống hai trục đó là is, và is: Hình 3.2: Biểu diễn dòng stator dưới dạng vector không gian với các phần tử is, is, và thuộc hệ toạ độ stator cố định. Dễ dàng nhận thấy rằng và là hai dòng hình sin do đó ta có thể hình dung ra một động cơ điện tương ứng với hai cuộn dây cố định , thay thế cho 3 cuộn dây a, b, c. Hệ toạ độ này là hệ toạ độ stator cố định ta có: (3.4) Trên cơ sở công thức (3.1) kèm theo điều kiện điểm trung tính của 3 cuộn dây không nối đất ta chỉ cần đo 2 trong 3 dòng điện stator là đã có đầy đủ thông tin về is(t) với các thành phần trong công thức (3.4). Tương tự với các vector dòng stator, các vector điện áp stator us, dòng rotor ir, từ thông stator , từ thông rotor đều có thể biểu diễn bằng các phần tử thuộc hệ toạ độ stator cố định. (3.5) 3.1.1.2. Chuyển hệ toạ độ cho vector không gian. Mục đích của ta ở đây là đưa cách quan sát các đại lượng vector trên hệ toạ độ stator cố định , sang hệ toạ độ xy nào đó quay đồng bộ với từ thông stator. Ta xét hệ toạ độ tổng quát xy và hệ toạ độ x*y* có chung điểm gốc và nằm lệch đi 1 góc so với hệ xy. Quan sát véc tơ bất kỳ ta thu được: - Trên hệ xy : - Trên hệ x*y* : Hình 3.3: Chuyển hệ toạ độ cho vector không gian bất kỳ. Từ hình vẽ và qua vài biến đổi ta có công thức chuyển đổi hệ toạ độ như sau: (3.6) Từ đó ta thấy hai hệ toạ độ x*y* và xy được coi là hai hệ toạ độ cố định hay nói cách khác góc được coi là không đổi. Nhưng trong thực tế có thể là một góc biến thiên với tốc độ góc. Trong trường hợp ấy hệ toạ độ x*y* là hệ toạ độ quay tròn với tốc độ góc là xung quanh gốc của hệ toạ độ xy . Giả sử ta quan sát một động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc đang quay với vận tốc góc trong đó là góc tạo bởi trục rotor và trục quay cuộn dây pha a. Hình vẽ biểu diễn hai vector dòng stator is và từ thông rotor với modul và một góc pha bất kỳ. Hình 3.4: Biểu diễn vector không gian trên hệ toạ độ từ thông rotor. Vector từ thông quay với tốc độ góc Trong đó fs là tần số mạch điện stator. Từ hình vẽ (3.5) ta thấy sự chênh lệch đó tạo nên dòng điện rotor với tần số fr, dòng điện đó cũng có thể biểu diễn dưới dạng vector ir với tốc độ góc và gốc trùng với gốc của hệ toạ độ , và đặt tên cho trục của hệ mới là d và q ta dễ dàng nhận thấy rằng hệ toạ độ mới định nghĩa là một hệ toạ độ quay xung quanh điểm gốc chung với tốc độ góc với vector is có các phần tử mới là isd và isq. Để dễ nhận biết được vector đang quan sát ở hệ toạ độ nào ta quy ước thêm hai chỉ số mới được viết bên phải trên cao: f thay cho hệ toạ độ dq và s thay cho hệ toạ độ , ta sẽ có: (3.7) Nếu biết được ta có thể dễ dàng tính được theo công thức. (3.8). hay (3.9) Quá trình trên được tổng hợp đầy đủ trong hình vẽ sau. Hình 3.5: Thu thập giá trị thực của vector dòng stator trên hệ trục toạ độ từ thông rotor( còn gọi là hệ toạ độ dq ). Ưu điểm của hệ toạ độ mới là do các vector is và cũng như bản thân hệ toạ độ dq quay đồng bộ với nhau với tốc độ góc quanh điểm gốc, các phần tử của vector (isd, isq) là các đại lượng một chiều. Trong chế độ vận hành xác lập các phần tử đó thậm chí có thể là không đổi. Quá trình quá độ chúng có thể biến thiên theo một thuật toán đã định trước. Khó khăn thực tiễn của việc tính isdvà isq là việc xác định góc , trong trường hợp động cơ đồng bộ góc đó được xác định dễ dàng bằng thiết bị đo tốc độ vòng quay(máy phát xung kèm vạch o, resolver). Trường hợp động cơ không đồng bộ góc được tạo nên bởi tốc độ góc , trong đó chỉ có là có thể đo được, ngược lại với fr là tần số mạch rotor ta chưa biết. Vậy phương pháp mô tả trên hệ toạ độ dq đòi hỏi phải tính được một cách chính xác đó là cơ sở của hệ thống điều khiển / điều chỉnh kiểu tựa theo từ thông rotor (T4R). Một cách tương tự như đối với vector dòng stator ta có thể biểu diễn tất cả các vector còn lại trên hệ toạ độ dq. (3.10). Ta thấy trong phương trình có do trục q bản thân đứng vuông góc với tuy nhiên trên thực tế ta rất khó tính chính xác góc do đó ta vẫn giữ để đảm bảo tính khách quan khi quan sát. 3.1.2. Nguyên tắc điều chế vector: Phương pháp điều chế vector không gian là phương pháp mạnh phổ cập trong các hệ truyền đã hoá số toàn phần dùng để điều khiển biến tần. Khâu điều khiển biến tần là khâu ghép nối quan trọng giữa thiết bị điều khiển / điều chỉnh bằng số với khâu chấp hành: biến tần / động cơ. Trong hệ thống này sơ đồ nguyên lý của động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc được nuôi bởi biến tần dùng van bán dẫn, hoạt động theo kiểu cắt xung với tần số cao, các van bán dẫn ở đây chủ yếu là tranzitor(IGBT, MOSFET). Thông thường các đôi van được vi xử lý vi tính điều khiển sao cho điện áp xoay chiều 3 pha với biên độ cho trước, với tần số cũng như góc pha cho trước được đặt lên 3 cực của động cơ theo đúng yêu cầu biến tần được nuôi bởi điện áp một chiều UMC: STT Cuôn dây pha 0 1 2 3 4 5 6 7 Pha a 0 1 1 0 0 0 1 1 Pha b 0 0 1 1 1 0 0 1 Pha c 0 0 0 0 1 1 1 1 Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc nuôi bởi biến tần nguồn áp. Ta thấy mỗi pha của động cơ có thể nhận một trong hai trạng thái 1(nối với cực dương của UMC) hoặc 0 (nối với cực âm của UMC) do đó các van bán dẫn sẽ có 23 = 8 trạng thái, khả năng nối pha của động cơ với UMC. Như trong bảng sau: Pha a 0 1 1 0 0 0 1 1 Pha b 0 0 1 1 1 0 0 1 Pha c 0 0 0 0 1 1 1 1 Bảng 3.1. Các khả năng nối pha động cơ Để tìm được vector điện áp chuẩn cho các cặp van bán dẫn của biến tần tạo nên, ta xét kỹ một khả năng trong tám khả năng trên, ví dụ như khả năng thứ tư trong bảng 1 với sơ đồ nối dây như hình vẽ sau: (a) (b) Hình 3.7 : a. Sơ đồ 3 cuộn dây theo khả năng thứ 4 của bảng 3.1 b. Vector không gian ứng với khả năng thứ 4 của bảng 3.1 Từ hình vẽ trên ta có thể tính được điện áp rơi trên từng quận dây pha a, b, c. Xét bố trí hình học của ba quận dây trên mặt phẳng tương tự như đối với khả năng thứ tư, ta dễ dàng xây dựng được vector điện áp tương ứng cho tất cả các trường hợp còn lại (Hình 3.9) các vectơ đó được đánh số từ 07 như số thứ tự của bảng 3.1. Ở đây còn lưu ý đến hai trường hợp đặc biệt. u0: Cả ba pha đều nối với cực (-) của UMC u7: Cả ba pha đều nối với cực (+) của UM. Cả hai vector này có mođul = 0 và có ý nghĩa rất quan trọng sau này. Hình 3.8: Vector điện áp của cuộn dây a, b, c Từ trên hình cho thấy rõ ràng vị trí của từng vector chuẩn trong hệ toạ độ , ta ghi nhớ rằng modul của tổng vector đó luôn có giá trị = . Ngoài quy ước thông thường về các góc phần tư Q1 đến Q4 phân chia bởi 2 trục hệ toạ độ , . Các vector chuẩn chia toàn bộ không gian thành các góc phần 6 S1 đến S6 chỉ bằng 8 vector chuẩn (Hình 3.9) ta phải tạo nên điện áp stator với biên độ góc pha bất kỳ mà khâu ĐCD sau này yêu cầu. 3.1.3. Nguyên lý của phương pháp điều chế vector không gian. Giả sử ta phải thực hiện vector us bất kỳ như trong hình 3.10 vector đó có thể nằm ở góc phần 6 bất kỳ nào đó. Trong ví dụ này us nằm ở S1. us có thể thành tổng của hai vector up,ut tựa theo hai hướng của vector chuẩn u1,u2 các chữ viết bên phải (thấp) có nghĩa như sau. t: vectơ biên trái. p: vectơ biên phải. Hình3.9: Thực hiện vector us bất kỳ bằng 2 vector chuẩn. Ta đã biết rằng điện áp sẽ được quy đổi bằng thời gian đóng ngắt xung trong một chu kỳ nào đó, giả thiết toàn bộ chu kỳ đó là chu kỳ có ích được phép dùng để thực hiện vector khi này modul tối đa cũng không thể vượt quá 2/3 UMC do vậy ta có công thức. . (3.11) Thời gian tối đa là t ta có các nhận xét đầu tiên như sau: + us là tổng vector của 2 vector biên up, ut: us = up + ut + Hai vector biên có thể thực hiện bằng cách thực hiện u1 (cho up) và u2 (cho ut) trong khoảng thời gian sau: (3.12) Vấn đề ở đây là ta phải tính được các khoảng thời gian Tp, Tt để tính được Tp, Tt ta phải biết được modul của vector biên phải up và modul của vector biên trái ut . Xuất phát điểm để tính modul của vector us là do khâu điều chỉnh dòng yêu cầu. Ta đã xét đến thời gian để thực hiện các vector Tp, Tt trong khoảng thời gian còn lại T – (Tp + Tt) biến tần sẽ thực hiện 1 trong 2 vector có modul = 0, u0 và u7 bằng cách đó trên thực tế ta thực hiện phép cộng vector sau: (3.13) Đến đây ta phải xem xét trình tự thực hiện 3 vector u1,u2,u7 (u0). Ta có bảng xung mẫu của 4 vector trên như bảng 3.1. Thông qua bảng xung mẫu ta thấy trình tự sẽ là có lợi nhất nếu trong một chu kỳ các cặp van phải chuyển mạch ít nhất. Cụ thể ở đây các cặp van sẽ phải chuyển mạch một lần. - Nếu như trạng thái cuối cùng là u0 trình tự thực hiện sẽ là: - Nếu như trạng thái cuối cùng là u7 trình tự thực hiện sẽ là: Bằng cách thực hiện như vậy ta sẽ gây tổn hao đóng cắt các van của biến tần ở mức thấp nhất. Nếu ta vẽ ghép tượng trưng 2 chu kỳ nối tiếp nhau thuộc góc phần 6 thứ nhất S1 ta sẽ thu được biểu đồ xung như sau. Hình3.10: Biểu đồ xung điện áp Bằng cách thực hiện hoàn toàn tương tự như góc phần 6 thứ nhất S1 cho các góc phần 6 còn lại ta có biểu đồ xung các vector điện áp đó. 3.1.4. Cách tính và thực hiện thời gian đóng cắt van bán dẫn của biến tần: Bảng các số liệu về góc pha cũng như về vị trí (góc 1/4, góc 1/6) vector của điện áp ta sẽ biết được quá trình đóng cắt của các van, còn việc tính toán thời gian đóng cắt của các van hoàn toàn phụ thuộc vào thông tin về modul của các vector up, ut.. Vector điện áp stator us thường được cho biết trước dưới 1 trong 2 dạng sau: + Hai thành phần một chiều usd, usq trên hệ toạ độ từ thông rotor góc pha gồm có góc của hệ toạ độ dq cộng với góc riêng của us (so với trục dq theo công thức sau): (4.1) + Hai thành phần hình sin, ở dạng này thông tin về góc pha được ẩn trong . Do đó ta cũng có hai phương pháp tính modul của up, ut giả sử ta xét vector us bất kỳ thuộc góc phần 6 thứ nhất. II.2.1 Phương pháp 1: Công thức (4.1) ta tính được và do đó ta tính được modul của vector biên phải, biên trái được tính như sau: (4.2) (4.3) (4.4) Hình3.11: Các khả năng cho biết trước về vector điện áp stator us II.2.2. Phương pháp 2: Các vector up, ut được tính trực tiếp từ theo công thức sau: (4.5) (4.6) Phương pháp 1 chỉ cần ba công thức (4.2, 4.3, 4.4) cho toàn bộ không gian song ở phương pháp 1 có 2 phép chia () cũng nhưphần dư và ba phép tính lượng giác(sin, cos, tg) trong điều khiển/ điều chỉnh thực của chu kỳ tính toán T ở vài phần trăm , cần cân nhắc khi xuất hiện thêm các phép chia. Các phép tính lượng giác có thể được gia tốc bằng cách tính sẵn các bảng giá trị cất trong RAM, thời gian tính thực tế chỉ còn là thời gian xâm nhập bảng đọc. Ngược lại ở phương pháp 2 các công thức (4.5, 4.6) chỉ có giá trị với góc s1 trong phương pháp này ta phải tuỳ theo góc phần tư và góc phần 6 cụ thể mà áp dụng công thức ở bảng sau: S1 Q1 S2 Q1 Q2 S3 Q2 S4 Q3 S5 Q3 Q4 S6 Q4 Bảng 3.2: Bảng giá trị cất trong RAM. Việc áp dụng phương pháp 2 tưởng chừng phức tạp hơn do phải dùng nhiều công thức khác nhau như trong bảng 2 tuy vậy quan sát kỹ ta sẽ thấy tất cả quy tụ về chỉ có 3 công thức sau. a = b = c = Trong cả 3 công thức đều không có phép chia cũng như phép tính lượng giác vì vậy áp dụng chúng sẽ có lợi nhiều về thời gian tính toán. Vấn đề còn lại là phải biết được us nằm ở góc phần tư, phần sáu nào của không gian vector để lựa chọn cho đúng công thức. Ta có thể sử dụng các suy nghĩ sau: + Xét dấu , ta nhận biết được us nằm ở góc phần tư thứ mấy. + Biểu thức sẽ đổi dấu mỗi khi us đi qua danh giới của góc phần sáu bất kỳ. Sau khi biết được góc phần tư bằng việc xét dấu b ta sẽ biết được góc phần sáu cụ thể thuộc góc phần tư đó. 3.1.5. NHẬN XÉT CHUNG : Như đã phân tích ở trên ta chọn động cơ truyền động là động cơ xoay chiều 3 pha rotor lồng sóc và phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ là phương pháp điều chỉnh tần số dựa vào phương pháp điều chế vector không gian, ở các hệ truyền động một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ ta dùng các bộ biến đổi van, bộ biến đổi máy điện và bộ biến đổi xung áp. Ngày nay trong hệ truyền động xoay chiều để điều chỉnh tốc độ cơ theo phương pháp trên người ta thường dùng một thiết bị là biến tần. ỨNG DỤNG BIẾN TẦN CHO TRUYỀN ĐỘNG THANG MÁY