LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung
thực và chưa được bảo vệ một học vị nào.
Tôi xin cam đoan, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được cảm
ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được chỉ rõ nguồn gốc.
Hưng Yên, ngày 22 tháng 9 năm 2015
Tác giả luận văn
.....................................
1
LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc tích cực khẩn trương, đến nay đề tài
“Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát động cơ xoay chiều ba pha dựa trên bộ
điều khiển PLC và biến tần” đã được hoàn thành.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Hồ Khánh Lâm, người trực tiếp
hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm
ơn các thầy cô, lãnh đạo trong khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ
thuật Hưng Yên đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt
quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện luận văn.
Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình và người thân đã quan tâm
động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Hưng Yên, ngày 22 tháng 9 năm 2015
Tác giả luận văn
......................................
MỤC LỤC
Proportional Integral Derivative
PLC
Programmale Logic Controllers
RTU
Remote Terminal Units
SCADA Supervisory Control And Data
Acquisition
STL
StaTement List
XML
Extensible Markup Language
3
Chuẩn mã trao đổi thông tin Hoa
Kỳ
Mã phát hiện lỗi
Đơn vị xử lý trung tâm
Lập trình theo khối chức năng
Giao diện đồ họa người dùng
Giao diện người - máy
Lập trình theo dạng bậc thang
Mã phát hiện lỗi
Bộ điều khiển tích phân tỉ lệ
Khối điều khiển logic khả trình
Khối thiết bị vào ra đầu cuối từ xa
Hệ thống điều khiển giám sát và
thu thập dữ liệu
Lập trình theo tập lệnh
Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng
Đến năm 2000 thì hầu hết các nhà sản xuất thiết bị vào/ra dữ liệu đã đồng
loạt chuyển sang giao thức mở như Modicon MODBUS dựa trên chuẩn TCP/IP.
Hiện nay, các hệ SCADA đang trong xu hướng dịch chuyển sang công nghệ
chuẩn truyền thông. Ethernet và TCP/IP là các chuẩn cơ bản đang dần thay thế các
chuẩn cũ hơn.
3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM
VI NGHIÊN CỨU
3.1. Mục đích
Nghiên cứu, tìm hiểu về hệ SCADA trong thực tế, từ đó xây dựng mô hình
hệ SCADA để điều khiển giám sát động cơ xoay chiều ba pha dùng PLC S7 – 200.
Để thực hiện giám sát và điều khiển trên giao diện, nghiên cứu phần mềm WinCC
để xây dựng giao diện và lập trình giám sát, điều khiển tốc độ động cơ
6
Việc điều khiển một hệ thống bởi máy tính giúp cho việc lưu giữ các giá trị
hiện tại được thuận lợi hơn. Nghiên cứu tổng quan về PLCS7-200 và biến tần kết
hợp với phần mềm WinCC để xây dựng chương trình điều khiển, giám động cơ
xoay chiều ba pha một cách dễ dàng, chính xác.
3.2. Đối tượng
Đối tượng điều khiển trong mô hình này là động cơ không đông bộ ba pha
rotor lồng sóc được điều khiển giám sát bằng PLC và biến tần
3.3. Phạm vi nghiên cứu
Bằng PC (Personal Computer) với hệ điều hành Windows XP.
Giao tiếp máy tính thông qua phần mềm WinCC của công ty SIEMENS.
Sử dụng hệ SCADA để thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát các thiết bị,
các cơ cấu chấp hành ngày càng được sử dụng nhiều trong các nhà máy, xí nghiệp
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ SCADA TRONG CÔNG NGHIỆP
1.1. KHÁI NIỆM VỀ HỆ SCADA
* Giới thiệu chung về khái niệm SCADA
Hình 1.1. Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA điển hình
9
Hình 1.2. Cấu trúc phân cấp của hệ thống tự động
Trong mô hình phân cấp trên đây thì ta thấy hai cấp dưới cùng là cấp trường
và cấp điều khiển, thực hiện chức năng đo lường, vận hành và điều khiển, nhưng để
một hệ thống vận hành an toàn và hiệu quả thì cần phải có một hệ thống quản lí các
cấp điều khiển và cấp trường, đó chính là cấp thứ ba - cấp điều khiển giám sát.
Trong các dây chuyền sản xuất lớn ở các nhà máy thì số lượng thiết bị điều
khiển rất nhiều, vì vậy việc quản lý cả hệ thống khá phức tạp, chính vì vậy cần thiết
phải có một trạm vận hành giám sát, nhiệm vụ của trạm vận hành, giám sát này là
giám sát các thiết bị điều khiển, theo dõi hoạt động của quá trình sản xuất, phát hiện
lỗi để khắc phục kịp thời, đồng thời có thể can thiệp vào quá trình mà không cần
thiết phải có mặt tại hiện trường, thường các trạm giám sát, vận hành ở xa hiện
trường. Và cũng với trạm giám sát vận hành này ta có thể thực hiện một số chức
năng điều khiển cao cấp. Chính vì vậy khái niệm SCADA (Supervisory Control
And Data Acquisition) ra đời.
Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu là một phần không thể thiếu trong
một hệ thống tự động hóa hiện đại. Ngày nay khi mà công nghệ truyền thông công
nghiệp và công nghệ phần mềm phát triển đã mang lại nhiều khả năng, giải pháp
sản xuất
Điều khiển
giám sát
Điều khiển
Chấp hành
Qúa t rình kỹ t huật
Hình 2.3: Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống
điều khiển và giám sát
Hỡnh 1.3. Mụ hỡnh phõn cp h thng Scada
Cu trỳc mt h SCADA cú cỏc thnh phn c bn sau:
+ Trm iu khin giỏm sỏt trung tõm: l mt hay nhiu mỏy ch trung
tõm (central host computer server).
11
+ Trạm thu thập dữ liệu trung gian: Là các khối thiết bị vào ra đầu cuối từ
xa RTU (Remote Terminal Units) hoặc là các khối điều khiển logic khả trình PLC
(Programmale Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành
(cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành…).
+ Hệ thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các
thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức năng truyền dữ liệu
cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ
+ Giao diện người - máy HMI (Human - Machine Interface): Là các thiết
bị hiển thị quá trình xử lí dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt
động của hệ thống.
có dung lượng bộ nhớ lớn, khi hệ thống hoạt động ổn định dữ liệu sẽ được sao lưu
13
vào trong bộ nhớ của RTU. Do đó, khi hệ thống xảy ra lỗi thì các RTU sẽ sử dụng
tạm dữ liệu này cho đến khi hệ thống hoạt động trở lại bình thường.
• Sử dụng các phần cứng dự phòng của hệ thống: hầu hết các hệ SCADA đều
được thiết kế thêm các bộ phận dự phòng, ví dụ như hệ thống truyền thông hai
đường truyền, các RTU đôi hoặc hai máy chủ…do vậy các bộ phận dự phòng này sẽ
được đưa vào sử dụng khi hệ SCADA có sự cố hoặc hoạt động offline (có thể cho
mục đích bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra…).
1.5. XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA SCADA
Xu hướng phát triển của các PLC và phần mềm HMI/SCADA là ngày càng
trở nên "mix and match" (tạm dịch là lựa chọn và kết nối khác nhau nhưng đều hộ
trợ cho nhau để tạo thành một chỉnh thể thống nhất).
14
1.6. MỘT SỐ HÌNH ẢNH HỆ THỐNG SCADA TRONG THỰC TẾ
Hình 1.5. Giao diện SCADA giám sát nhà máy bia
15
Hình 1.6. Giao diện SCADA của nhà máy sản xuất thức ăn chăn nuôi
Hình 1.7. Giao diện SCADA của nhà máy xử lý nước thải công nghiệp
Hình 2.1. Động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ ba pha gồm có các bộ phận chính sau:
Phần tĩnh hay còn gọi là stato.
Phần quay hay còn gọi là rotor.
2.1.1.1. Phần tĩnh
Stator có cấu tạo gồm vỏ máy, lõi sắt và dây quấn:
a) Vỏ máy:
Vỏ máy có tách dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch
dẫn từ. Thường vỏ máy được làm bằng gang. Đối với máy có công suất tương đối
lớn (1000kW) thường dùng tấm thép hàn thành vỏ máy. Tùy theo cách làm nguội
máy mà dạng vỏ cũng khác nhau .
17
b) Lõi sắt :
Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để
giảm tổn hao, lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại.
Hình 2.2. Lõi thép được ghép nhiều hình rẻ quạt
c) Dây quấn:
Là dây điện từ, được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với
lõi sắt, có thể là dây nhôm hoăc đồng, được quấn thành các bối dây, tổ bối dây. Tùy
theo cuộn dây cuốn stato là 1 pha hay 3 pha mà ta có động cơ không đồng bộ 1 pha
hay 3 pha .
Hình 2.3. Dây quấn Stator
2.1.1.2. Phần quay
cực S của nam châm gần với cuộn dây nhất. Tuy nhiên, chiều dòng điện ở mỗi nửa
vòng quay của nam châm lại ngược nhau.
19
Hình 2.5. Nam châm quay tạo ra từ trường
Khi có dòng điện ba pha chạy trong dây quấn stato thì trong khe hở không
khí xuất hiện từ trường quay với tốc độ
n1 = 60 f1 / p
(
f1
p
là tần số lưới điện,
là
số cặp cực, tốc độ từ trường quay). Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự
ngắn mạch nên trong dây quấn rotor có dòng điện
I2
chạy qua. Từ thông do dòng
điện này sinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở. Dòng
2.1.3. Các phương pháp điều khiển tốc độ ĐCKĐBBP
2.1.3.1. Phương pháp đổi đầu dây quấn
Trong quá trình vận hành động cơ khi khởi động động cơ chúng ta cần quan
tâm đến 2 vấn đề:
- Giảm thấp dòng điện khởi động (qua hệ thống dây dẫn chính vào dây quấn
stato động cơ) ngay thời điểm khởi động.
- Phương pháp giảm thấp dòng điện khởi động thực chất là giảm thấp điện áp
cung cấp vào động cơ tại thời điểm khởi động. Theo lý thuyết ta có được quan hệ:
momen (hay ngẫu lực) khởi động tỷ lệ thuận với bình phương giá trị điện áp hiệu
dụng cấp vào động cơ, như vậy giảm giá trị dòng điện khởi động dẫn tới hậu quả
giảm thấp giá trị của momen khởi động.
Giảm điện áp nguồn cấp vào dây quấn stato bằng phương pháp: biến áp giảm
hay lắp đặt các phần tử hạn áp (cầu phân áp) dùng điện trở hay điện cảm.
Sử dụng bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha, dùng linh kiện điện tử điều
chỉnh thay đổi điện áp hiệu dụng nguồn 3 pha cấp vào động cơ. Hệ thống khởi động
này được gọi là phương pháp khởi động mêm (soft start) cho động cơ.
Các phương pháp ra dây trên stato của động cơ không đồng bộ 3 pha:
- Động cơ 3 pha 6 đầu dây ra (vẫn hành theo 1 trong 2 phương pháp: đấu Y
nối tương ứng so với sơ đồ đấu Y hay
∆
)
- Động cơ 3 pha 9 đầu dây ra (đấu vận hành theo 1 trong 2 phương pháp: đấu
Y nối tiếp – Y song song,
∆
nối tiếp -
Trường hợp này để giảm áp cấp vào dây quấn stato tại lúc khởi động. Chúng
ta đấu nối tiếp điện cảm (có giá trị điện kháng) Xmm với dây quấn stato.
Do tính chất momen tỉ lệ bình thường với điện áp cấp vào động cơ, thường
chúng ta chọn các cấp giảm áp: 80%, 64%, 50% cho động cơ. Tương ứng với các
cấp giảm áp này, momen mở máy chỉ còn khoảng 65%, 50% và 25% giá trị momen
mở máy khi cấp nguồn trực tiếp bằng đúng định mức vào dây quấn stato.
2.1.3.3. Giảm dòng khởi động dùng máy biến áp tự ngẫu giảm áp
Với các phương pháp giảm dòng mở máy dùng Rmm hay Xmm, dòng điện
mở máy qua dây quấn cũng chính là dòng điện qua dây nguồn. Khi sử dụng biến áp
giảm áp đặt vào dây quấn stato lúc khởi động, dòng điện mở máy qua dây quấn
giảm thấp. Nhưng dòng điện này chỉ xuất hiện phía thứ cấp biến áp còn dòng điện
qua dây nguồn chính là dòng qua sơ cấp biến áp.
Với biến áp giảm áp, dòng điện phía sơ cấp sẽ có giá trị thấp hơn dòng điện
phía thứ cấp. Tóm lại khi dùng máy biến áp giảm áp để giảm dòng khởi động, dòng
điện mở máy qua dây nguồn sẽ thấp hơn dòng điện mở máy khi dùng phương pháp
giảm dòng với Rmm hay Xmm.
Khi dùng biến áp giảm áp để giảm dòng khởi động thời gian hoạt động của
máy biến áp được bố trí nhiều cấp điện áp ra tương ứng với các mức 80%, 64%,
50% giá trị momen mở máy trực tiếp chỉ còn khoảng 65%, 50%, 25% giá trị momen
mở máy trực tiếp (khi cấp nguồn trực tiếp bằng đúng định mức cấp vào stato)
23
2.1.3.4. Sử dụng biến tần
Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong
động cơ và thông qua đó biến tần có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp,
không cần dùng đến các hộp số cơ khí. Biến tần thường sử dụng các linh kiện bán
dẫn để đóng ngắt tuần tự các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoay
làm quay rotor.
2.1.4. Các phương pháp điều khiển động cơ
Hình 2.7. Biến tần DELTA
2.2.2. Cấu tạo
2.2.2.1. Bộ chỉnh lưu
Phần đầu tiên trong quá trình biến điện áp đầu vào thành đầu ra mong muốn
cho động cơ là quá trình chỉnh lưu. Điều này đạt được bằng cách sử dụng bộ chỉnh
lưu cầu đi-ốt sóng toàn phần. Bộ chỉnh lưu cầu đi-ốt tương tự với các bộ chỉnh lưu
thường thấy trong bộ nguồn, trong đó dòng điện xoay chiều một pha được chuyển
đổi thành một chiều. Tuy nhiên, cầu đi-ốt được sử dụng trong biến tần cũng có thể
cấu hình đi-ốt bổ sung để cho phép chuyển đổi từ điện xoay chiều ba pha thành điện
25
Copyright: Tài liệu đại học ©