Ứng dụng bộ điều khiển lập trình PLC trong điều khiển động cơ điện KĐB xoay chiều 3 pha, điều khiển đèn giao thông, điều khiển thang máy

LỜI NÓI ĐẦU Trong thời gian thực tập tại trường em đã hoàn thành tốt 5 nội dung thực tập được giao, nhờ sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của các Thầy giáo cùng với sự cố gắng học tập của bản thân đã trang bị cho chúng em những kiến thức thực tế về chuyên ngành Kỹ thuật điện của mình. Trong nền kinh tế hội nhập của nước ta hiện nay, yêu cầu Công nghiệp hóa- Hiện đại hóa đòi hỏi chúng ta phải sử dụng nhiều thiết bị vi xử lý được đưa vào trong mạch điều khiển để tạo nên sự thay đổi sâu sắc và vượt bậc trong lĩnh vực sản xuất và phục vụ đời sống sinh hoạt hàng ngày. Tiếp đó, là sự bùng nổ của Khoa học kỹ thuật điều này kéo theo sự phát triển và hoàn thiện của các bộ VĐK, PLC, Thyristor... các bộ biến đổi điện ngày càng gọn nhẹ, tác động nhanh, dễ dàng ghép nối với các vi mạc điện tử. Để tiếp thu các tiến bộ của Khoa học kỹ thuật nhằm đáp ứng yêu cầu đổi mới công nghệ để đưa Tự Động Hóa vào sản xuất. Em xin báo cáo quá trình thực tập kỹ thuật điều khiển là: “ Ứng dụng bộ điều khiển lập trình PLC trong điều khiển động cơ điện KĐB xoay chiều 3 pha, điều khiển đèn giao thông, điều khiển thang máy”. Ngoài ra, trong đợt thực tập vừa qua, em cũng đã được tiếp xúc và thực hành trực tiếp trên một số thiết bị Biến tần và Logo. Trong quá trình thực tập và viết báo cáo em đã rất cố gắng, song không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự góp ý chỉ bảo của các Thầy giáo trong khoa. Em xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo trong khoa KTĐK đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn thành các bài thực tập. SV THỰC HIỆN Vũ văn Thoa Nhận xét của giáo viên hướng dẫn ................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................MỤC LỤC Lời nói đầu 1 Nhiệm vụ thực tập 4 Nội dung báo cáo 5 Nội dung 01: Thiết kế chế tạo bộ nguồn tự động ổn định điện áp và hạn chế dòng điện. 6 Nội dung 02: Xây dựng mạch đo và điều khiển dòng điện, điện áp trong các hệ thống điện tử công suất trên cơ sở biến đổi ADC ICL 7135 9 Nội dung 03: Xây dựng mạch điều khiển chỉnh lưu Thyristor thực hiện ổn dòng trên cơ sở IC điều chế pha xung TCA 785 15 Nội dung 04: Ứng dụng PLC xây dựng các hệ điều khiển cho truyền động điện và điều khiển công nghiệp. 24 Bài 1: Xây dựng hệ thống điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha 28 Bài 2: Xây dựng mô hình hệ thống đèn 33 Bài 3: Điều khiển thang máy 36 Nội dung 05: Giới thiệu về biến tần và logo. 45 Kết luận 50 Tài liệu tham khảo 51 NHIỆM VỤ THỰC TẬP I. Mục đích : * Tạo cho sinh viên tìm hiểu, làm quen với chức trách của người kỹ sư trong nhà máy, xí nghiệp, cơ quan vv… ;ở nơi mà sinh viên được thực tập . * Tạo đIều kiện cho sinh viên tiếp xúc , tìm hiểu thực tiễn kỹ thuật chuyên ngành. II. Yêu cầu : * Sinh viên phải trực tiếp tìm hiểu tại một cơ sở sản xuất với qui mô phù hợp. * Sinh viên phải nhận thức được vai trò trách nhiệm của người kỹ sư ; Học tập được kinh nghiệm về phương pháp tổ chức thực hiện những nhiệm vụ kỹ thuật thực tế mới đặt ra; Đồng thời phát huy được các kiến thức mới vừa tiếp thu được trong trường , đề đạt áp dụngvào thực tế nếu điều kiện cho phép . * Thực hiện đầy đủ các nội qui thực tập và kế hoạch tực tập đã được phê duyệt. *Chấp hành nghiêm túc các qui định của cơ sở thực tập. *Làm báo cáo thu hoạch thực tập và nộp cho Khoa đúng kỳ hạn. III. Nội dung thực tập : Tìm hiểu các hoạt động của nơi thực tập ( Chức năng ,nhiệm vụ, cơ cấu tổ chức,vv…) Tìm hiểu các thiết bị, hệ thống đolường,điều khiển số ,tự động hoá sản xuất công nghiệp. Tham gia trực tiếp vào các hoạt động của nơi thực tập ( Hội thảo khoa học, thiết kế, vận hành , bảo dưỡng , sửa chữa hệ thống điện như hệ thống truyền động điện, các thiết bị điện tử , máy điện , máy thuỷ lực, máy nén khí vv…và phong trào văn nghệ ,thể dục thể thao.) Đi sâu tìm hiểu cụ thể một thiết bị hoặc một hệ thống điều khiển tân tiến nhất ở nơi thực tập. Tìm hiểu chức trách kỹ sư tự động hoá ở nơi thực tập. NỘI DUNG BÁO CÁO THỰC TẬP - Nội dung 01: Thiết kế chế tạo bộ nguồn tự động ổn định điện áp và hạn chế dòng điện. - Nội dung 02: Xây dựng mạch đo và điều khiển dòng điện, điện áp trong các hệ thống điện tử công suất trên cơ sở biến đổi ADC ICL 7135. - Nội dung 03: Xây dựng mạch điều khiển chỉnh lưu Thyristor thực hiện ổn dòng trên cơ sở IC điều chế pha xung TCA 785. - Nội dung 04: Ứng dụng PLC xây dựng các hệ điều khiển cho truyền động điện và điều khiển công nghiệp. - Nội dung 05: Giới thiệu về biến tần vào logo. NỘI DUNG THỰC TẬP SỐ 01 THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ NGUỒN TỰ ĐỘNG ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP VÀ HẠN CHẾ DÒNG I. Giới thiệu chung -Tìm hiểu về phần mềm thiết kế mạch Protel DXP 2004. -Tìm hiểu về bộ nguồn ổn áp và hạn chế dòng. -Thiết kế lắp ráp mạch đạt yêu cầu đặt ra. II. Tiến hành 2.1 Giới thiệu phần mềm Protel DXP 2004 Phần mềm Protel DXP 2004 là một phần mềm mạnh phục vụ thiết kế mạch điện tử.Phần mềm này là một công cụ hữu ích và cần thiết cho học viên các nghành điện-điên tử và điều khiển trong học tập và trong công tác.DXP(Design Explorer-Trình duyệt thiết kế) là một hệ thống thiết kế mạch điện tử hoàn thiện 32 bit trên nền Windows 2000 và Windows XP. Nó là một môi trường phát triển tích hợp,cung cấp hang loạt các công cụ thiết kế mạnh. Khi tạo ra các trang văn bản thiết kế,ta có thể dễ dàng chuyển đổi giữa các trình soạn thảo , ví dụ giữa các trình soạn thảo sơ đồ mạch và trình soạn thảo mạch in PCB.Trình duyệt sẽ thay đổi các thanh công cụ và các menu tuỳ theo trình soạn thảo mà ta đang làm việc .Tên của các panel được hiển thị ở góc bên phải không gian làm việc. Ta có thể click vào tên của các panel để mở chúng và có thể di chuyển các panel để tạo giao diện làm việc theo ý muốn. 2.2. Thiết kế chế tạo mạch nguồn ổn định điện áp và hạn chế dòng điện Mạch nguồn được xây dựng trên cơ sở IC LM317. Đây là IC ổn áp dải rộng từ 1,2-37v với dòng điện ra tối đa 1,5 Các linh kiện chính sử dụng trong mạch như trong bảng sau: TT Ký hiệu Tên linh kiện,trị số Đơn vị tính Số lượng 1 U2 IC LM317 C 1 2 U3 Biến áp nguồn 220/8v C 1 3 VR2 Biến trở nhiều vòng 20k C 1 4 Q1 Transistor c495 C 1 5 B1 Cầu chỉnh lưu 5A C 1 6 C1 tụ hoá 1000µF C 1 7 R1,3,4,5 Điện trở 4k7;R56;R220;R470 C 4 8 Led Đèn led 5mm C 1 a. Giới thiệu IC LM317 IC LM317 có 3 chân tín hiệu Vin: Điện áp vào Vout: Điện áp ra ADJ: Chân điều khiển. + Các đặc trưng: Đảm bảo dòng ra đạt 1,5A Có thể điều chỉnh điện áp ra xuống 1,2V Dòng điện giới hạn không đổi khi nhiệt độ thay đổi. Điện áp ra trong khoảng 1,2V-1,5V. Sơ đồ nguyên lý: b.Nguyên lý hoạt động: IC LM317 chứa điện áp chuẩn trong mà đối với nó trị số điển hình là Vref =1,2V thông qua tác dụng bên trong ổn áp, điện áp đó xuất hiện trên R1 và khiến cho dòng I1 chạy qua R1 có trị số I1= (1) Dòng này cũng chạy qua R2, tuy nhiên dòng nhỏ bổ xung IADJ chạy ra từ đầu nối điều chỉnh, dòng tổng I2 qua R2 là I2= I1+ IADJ (2) điện áp V2 trên R2 là: V2= R2*I2= R2*(I1+IADJ) (3) Điện áp tổng Vout là: Vout= Vref+ V2 (4) Thế (1) vào (3) và thế biểu thức sau vào (4) ta có: Vout= Vref(1+R2/R1)+ IADJ*R2 LM317 có khả năng cung cấp hơn 1.5A trong khỏang điện áp điều chỉnh được từ 1.2_37V.Để thay đổi điện áp Vout ta thay đổi biến trở VR2 Transistor có vai trò như một khóa để hạn chế dòng qua, đồng thời cũng làm thay đổi điện áp ra. 2.3 Kết quả thu được Bộ nguồn tự động ổn định điện áp và hạn chế dòng điện thu được đã đáp ứng đúng yêu cầu về kỹ thuật và mỹ thuật - Dòng điện ra ổn định để nạp ắc quy - Dòng điện hạn chế theo yêu cầu từ 0.2A đến 2A - Khi nạp đèn led sang,khi ắc quy đầy thì ngừng nạp đèn led tắt NỘI DUNG THỰC TẬP SỐ 2 XÂY DỰNG MẠCH ĐO DÒNG ĐIỆN ,ĐIỆN ÁP TRÊN CƠ SỞ BIẾN ĐỔI ADC ICL7135 I. Yêu cầu - Tìm hiểu sơ đồ tổ chức phần cứng của mạch đo lường điện tử,điện áp xây dựng trên cơ sở ICL7135 - Lắp ráp và hiệu chỉnh mạch đo II. Tiến hành: 1. Tìm hiểu về biến đổi tương tự- số và ADC ICL 7135: Có rất nhiều các họ chuyển đổi tương tự số, loại chuyển đổi 8 bít, loại chuyển đổi 10 bít, 12 bít, 14 bít…nhưng tùy thuộc vào chức năng và độ phân giải theo yêu cầu mà chúng ta chọn các vi xử lý chuyển đổi tương tự số khác nhau. Các bộ chuyển đổi thông thường như: Max 111, Max 186… Trong nội dung này ta sử dụng ICL 7135 để thực hiện chức năng chuyển đổi tương tự số. ADC ICL 7135 là bộ biến đổi tương tự số 41/2 chữ số, đầu ra là mã BCD, đầu vào là tín hiệu điện áp đến 2V. Đây là IC dạng PDIP 28 chân, điện áp nguồn 5V, gọn và đơn giản nên được sư dụng rộng rãi trong các mạch đo số. + Các thông số đặc trưng của ICL 7135: Độ chính xác là 1 trong 20000 lần đo (trong thang đo đầy đủ là 20000V) Đảm bảo giá trị đọc 0 trùng với 0V ở đầu vào. Dòng điện rò ở đầu vào thường là 1pA. Đầu vào vi phân chính xác. Có chân Vref riêng. Mọi đầu ra tương thích với TTL. Đầu ra cho mã BCD. Có 6 đầu vào ra cho các giao diện UART, vi xử lý, các mạch ngoại vi khác. Nếu giá trị hiệu ra quá dải đo thì bộ hiện thị sẽ nháy. + Sơ đồ chân như hình sau: 2. Thiết kế mạch đo dòng, áp trên cơ sở sử dụng ADC ICL7135 a.Giới thiệu chung: Trong các dây truyền sản xuất của các nhà máy trong các hệ thống công nghiệp việc đo lường giám sát hệ thống hoạt động đặt ra vô cùng quan trọng,các thông số như dòng điện , điện áp của các phần tử luôn được cập nhật và kiểm tra vì vậy đặt ra yêu cầu thiết kế các bộ đo lường dòng điện. Các bộ đo không chỉ có tác dụng đo và hiển thị giá trị của dòng điện trong các phần tử của hệ thống mà còn sử dụng để so sánh, điều khiển hệ thống hoạt động ổn định,các số liệu đo về được lưu trong bộ nhớ. Trên thị trường có nhiều bộ đo dòng điện,mỗi loại có những đặc điểm khác nhau song chúng thường có dải đo nhất định,không kết nối trực tiếp được với máy tính,khó phối hợp cho việc điều chỉnh hệ thống.Hiện nay với việc phát triển của ky thuật vi điều khiển và các phần tử bán dẫn có thể thiết kế các bộ đo lường gọn nhẹ thụân tiện và hiệu quả,vừa sử dụng kết quả đo để hiển thị,giám sát,vừa thuận tiện sử dụng kết quả đo để điều khiển. b.Cấu trúc chung của một hệ đo số: Sơ đồ cấu trúc chung của một hệ đo số biểu diễn trên hình 2.1 Nhìn chung một hệ thống đo lường và hiển thị ứng dụng kỹ thuật số gồm các phần tử sau: -Khối nguồn:cấp nguồn cho các linh kiện đo và hiển thị. -Bộ chuyển đổi tương tự -số (ADC) -Các phần tử thực hiện thuật toán xử lý và phối hợp điều khiển. -Khối hiển thị : có thể là LED,màn hình LCD… -Các phần tử ghép nối với máy tính. Mạch phối hơp đầu vào Bộ ADC Bộ phối hợp hiển thị Khối hiển thị Khối ghép nối Hình 2.1.Cấu trúc chung của một hệ đo số 3. Mạch đo sử dụng ICL7135 3.1 Cấu trúc mạch đo Sơ đồ nguyên lý của mạch đo biểu diễn trên hình 2.2 và 2.3.Nhìn chung cấu trúc của mạch gồm các thành phần sau: - Khối nguồn Các IC trong bản mạch chỉ hoạt động hiệu quả khi được cấp nguồn nuôi ổn định đúng theo giá trị định mức,chính vì vậy cần có những bộ nguồn ổn định cung cấp cho bo mạch.Có rất nhiều phương pháp xây dựng các nguồn ,có thể sử dụng ICLM317,hay các họ 78xx,79xx…Ở đây, để phù hợp với toàn bộ các phần tử,chúng ta sẽ sử dụng IC 7805 tạo nguồn ổn áp ,sử dụng 79xx tạo nguồn ổn áp -5V.Nguồn cấp vào mạch là nguồn đối xứng 8-0-8V từ biến áp. Các tụ C 1 và C2 có chức năng lọc tín hiệu nhiễu từ đầu vào, còn C3 và C4 để lọc nhiễu đầu ra, điot cầu để chuyển dòng xoay chiều thành dòng một chiều. Bộ chuyển đổi tương tự số:ADC ICL7135 Có rất nhiều các dòng họ chuyển đổi tương tự số,loại chuyển đổi 8 bit,loại chuyển đổi 10 bit,12 bit,14 bit…Nhưng tuỳ vào chức năng và độ phân giải yêu cầu mà chúng ta chọn các vi xử lý chuyển đổi tương tự số khác nhau Các bộ chuyển đổi thông thường như:Max 110,Max 111,Max 186…Trong nội dung này chúng ta sẽ sử dụng ICL7135 thực hiện chức năng chuyển đổi tương tự số. ADC ICL7135 là bộ biến đổi tương tự -số 4 chữ số , đầu ra là mã BCD, đầu vào là tín hiệu điện áp 2V. Đây là IC dạng PDIP 28 chân, điện áp nguồn 5V,khá gọn nhẹ và đơn giản nên được sử dụng khá nhiều trong các mạch đo số. Các thông số của ICL7135 tham khảo trong datasheet kèm theo - Phần tử thực hiện thuật toán và phối hợp điều khiển Việc đo lường cần phải đảm bảo độ chính xác trong 1 dải rộng,bởi vậy trong mỗi 1 khoảng giá trị dòng điện cần phải sử dụng 1 thuật toán riêng thích hợp. Trong mạch đo này,phối hợp đầu vào có khuyếch đại thuật toán OP7 và biến trở điều chỉnh đầu vào -Khối hiển thị Chúng ta có thể sử dụng các đèn LED hay màn hình tinh thể lỏng LCD phục vụ cho mục đích hiển thị.Trong phần này ta sử dụng LED 7 đoạn để hiển thị. Đầu ra ICL7135 là mã BCD nên cần sử dụng bộ giải mã từ mã BCD sang mã 7 đoạn để hiển thị trên LED.Bộ giải mã được chọn là IC 7447 3.2 Sơ đồ và chức năng của ICL7135 Các linh kiện chính trong mạch cho trong bảng sau: TT Tên linh kiện Đơn vị tính số lượng 1 ADC ICL7135 c 1 2 LM7905,7805 c 2 3 74LS393 c 1 4 KĐTT OP7 c 1 5 Cầu chỉnh lưu 2A c 1 6 LED 7 đoạn c 1 7 Biến áp 220/8-0-8 c 4 8 Biến trở nhiều vòng 104 c 1 9 c 4 3.3 Lắp ráp và hiệu chỉnh Sau khi lắp ráp mạch,chỉnh biến trở theo tín hiệu đầu vào. Biến trở chỉnh khuyếch đại cần chỉnh để tín hiệu vào biến đổi ADC ICL7135 nằm trong khoảng 2V.Biến trở chỉnh không cần chỉnh để khi tín hiệu đo bằng 0 thì mạch đo hiển thị chính xác là 0. Sơ đồ nguyên lý NỘI DUNG THỰC TẬP SỐ 3 XÂY DỰNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU THYRISTOR THỰC HIỆN TRÊN CƠ SỞ IC ĐIỀU CHẾ PHA XUNG I.Giới thiệu chung - Nắm được nguyên lý làm việc của thyristor - Nắm được sơ đồ mạch điều khiển chỉnh lưu thyistor thực hiện ổn dòng xây dựng trên IC điều chế pha xung TCA 785 - Lắp ráp và hiệu chỉnh mạch đạt yêu cầu II. Tiến hành -Tìm hiểu cấu tạo,nguyên lý làm việc của thyistor -Tìm hiểu nguyên lý điều chế pha xung và IC TCA785 -Tìm hiểu mạch điều khiển - Lắp ráp mạch và hiệu chỉnh mạch đạt yêu cầu 1. Xây dựng mạch điều khiển thyistor a. Cấu tạo Thyristor còn được gọi là SCR (Silicon controlled Rectifier) bộ nắn điện được điều khiển bằng chất silicium Thyristor là linh kiện bán dẫn gồm 4 lớp P – N – P – N ghép nối tiếp tạo nên ba cực anode ký hiệu A dương cực. Catode ký hiệu K âm cực và cực gate ký hiệu G là cực khiển hay cửa J1, J2, J3 là các mặt ghép P1 N1 P2 N2 ( a ) ( b ) A J1 J2 J3 A K G G K b. Nguyên lý làm việc của thyristor Để nghiên cứu sự làm việc của thyristor ta xét trường hợp Thyristor phân cực ngược J2 J3 E A P N P N K J1 Ec Điện áp ngược Ucd ia IG=0 E E A B C D Dòng áp ngược Hình 1.14 Trong trường hợp này dưới tác dụng Ec mặt ghép J1, J3 được phân cực thuận điện trường Ec này ngăn cản sự chuyển dời của lỗ trống khi chưa có điện áp uGK thì nồng độ các điện tử tự do trong lớp P2 rất bé. Khio có UGK > 0 thì vì UGK là điện áp thuận đối với J3 vì nồng độ điện tử tự do rất lớn ở lớp catot N3 cho nên số lượng lớn điện tử chuyển dịch từ N2 sang P2 Khi UGK và IG càng lớn thì số điện tự do đi qua J2 càng nhiều hàng rào điện thế trên J2 càng giảm và điện áp E cần thiết để gây ra hiện tượng dẫn điện ào ạt ở mặt ghép J2 càng bé. Khi Ia lớn hơn trị số IL nào đó (tương ứng với số điện tử tự do đủ để hiện tượng dẫn điện ào ạt lan rộng ra khắp mặt J2). Thì nếu tắt dòng điện điều khiển IG hoặc điện áp uGK thyristor vẫn tiếp tục mở trị số IL được gọi là dòng điện anot khởi động Thông thường IL = 10-3Iđm Trong đó Iđm : là dòng điện định mức của thyristor Thyristor chỉ khóa lại khi Ia nhỏ hơn trị số IH IH : là dòng điện duy trị hoặc UGK < 0 Các thông số chủ yếu của Thyristor Trị số hiện dụng định mức của dòng điện anot Iahd đó là trị số hiện dụng của dòng điện cực đại cho phép đi qua thyristor trong một thời gian dài khi thyristor mở khi khi thyristor dẫn điện thì VAK = 0,7v nên dùng điện thuận qua SCR có thể tính theo công thức RL : tải thuần trở VCC : điện áp qua thyristor Dòng điện điều khiển kích mở IGT là dòng điện điều khiển IG gây mở thyristor Điện áp ngược cực đại ungmax là điện áp giữa 2 cực A và K cho phép đặt của thyristor Điện áp rơi định mức Dua là điện áp giữa cực A và K khi thyristor mở và dòng điện bằng dòng điện định mức Thời gian phục hồi tính khóa là thời gian tối thiểu cần thiết để thyristor phục khóa hồi tính 2. Tìm hiểu nguyên lý điều chế pha xung và IC TCA785 a. Nguyên lý điều chế pha xung Điện áp vao So sánh Vi phân Mạch tạo xung răng cưa Xung nhọn UDC Xung vuông Hình 3.1.Mạch điều chế pha xung Nguyên lý hoạt động của mạch như sau:Điện áp vào là điện áp 1 chiều biến thiên được so sánh với điện áp chuẩn là xung răng cưa.Đầu ra của mạch so sánh là xung vuông có độ rộng tương ứng với gía trị điện áp vào.Qua mạch vi phân ta sẽ nhận được xung nhọn.Vị trí xung nhọn (pha xung) trong chu kỳ so sánh chính là tỷ lệ giữa giá trị biên độ điện áp vào và biên độ đỉnh xung răng cưa. b.Mạch điều khiển thyistor thực hiện ổn dòng Mạch được xây dựng trên cơ sở IC điều chế pha xung TCA785 * Vi mạch TCA 785 Vi mạch TCA 785 là một vi mạch phức hợp thực hiện bốn chức năng của một mạch điều khiển : Tề đầu điện áp đồng bộ , tạo điện áp răng cưa đồng bộ , so sánh và tạo xung ra . Đặc trưng và sơ đồ chân Đặc trưng Xác định chính xác về điểm trôi 0 Phạm vi ứng dụng lớn Có thể sử dụng như là khóa điểm 0 Thích hợp với công nghệ LSL Có thể điều khiển với m