Xây dựng hệ thực hành biến tần – động cơ không đồng bộ ba pha giao tiếp máy tính sử dụng giao diện LabVIEW

Chia sẻ: Lệ Minh Vũ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

1
lượt xem 0
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong bài báo "Xây dựng hệ thực hành biến tần – động cơ không đồng bộ ba pha giao tiếp máy tính sử dụng giao diện LabVIEW" trình bày một phương pháp xây dựng module thực hành biến tần – động cơ không đồng bộ 3 pha giao tiếp máy tính PC sử dụng giao diện được thiết kế trên phần mềm LabVIEW. Nghiên cứu này nhằm giúp tiếp cận công nghệ truyền thông công nghiệp với hệ truyền động điện hiện đại, dễ dàng cập nhật thông tin và cài đặt cho hệ biến tần qua máy tính PC. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Xây dựng hệ thực hành biến tần – động cơ không đồng bộ ba pha giao tiếp máy tính sử dụng giao diện LabVIEW

XÂY DỰNG HỆ THỰC HÀNH BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA GIAO TIẾP MÁY TÍNH SỬ DỤNG GIAO DIỆN LABVIEW Trương Bảo Long, Phạm Mạnh Toàn* Viện Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Vinh. *Tác giả liên hệ, Email: toandhv79@gmail.com. TÓM TẮT Trong bài báo này trình bày một phương pháp xây dựng module thực hành biến tần – động cơ không đồng bộ 3 pha giao tiếp máy tính PC sử dụng giao diện được thiết kế trên phần mềm LabVIEW. Nghiên cứu này nhằm giúp tiếp cận công nghệ truyền thông công nghiệp với hệ truyền động điện hiện đại, dễ dàng cập nhật thông tin và cài đặt cho hệ biến tần qua máy tính PC. Kết quả nghiên cứu đã xây dựng một hệ thực hành biến tần - động cơ với giao diện giám sát và điều khiển được thiết kế trên máy tính trực quan, cập nhật được thông số cài đặt, hiển thị được đầy đủ thông tin hoạt động của hệ thống. Ngoài ra, kết quả thực nghiệm cũng cho thấy tính hiệu quả được nâng cao trong việc áp dụng module vào giảng dạy thực hành truyền động điện tự động công nghiệp. Từ khóa: Biến tần; công nghệ truyền thông công nghiệp; động cơ không đồng bộ; giao tiếp máy tính; LabVIEW. 1. Tổng quan Đối với chương trình đào tạo đại học của khối ngành kỹ thuật, các học phần thực hành đóng vai trò thực tiễn, đem lại kiến thức thực tế, người học có thể kiểm tra lý thuyết thông qua các thao tác thí nghiệm, hình thành những ý tưởng mới thực tế hơn và vận hành được công nghệ. Vấn đề đặt ra là phải xây dựng mô hình trong phòng thí nghiệm đầy đủ tính chất của một mô hình vật lý, là cơ sở lý giải cho lý thuyết đã học, tạo điều kiện hình thành những ý tưởng và phát minh [1]. Hiện nay, các nghiên cứu về ghép nối truyền thông công nghiệp được phát triển rất mạnh mẽ với các thiết bị điện - điện tử công suất, truyền động điện hiện đại [2],… Trong các thiết kế hệ thống người ta thường sử dụng màn hình HMI, PLC kết nối với các thiết bị [6], [7], [8], việc phát triển các ứng dụng như trên chủ yếu được áp dụng cho những điều khiển trực tiếp tại hệ thống, thực hiện các thao tác đơn giản, không giám sát từ khoảng cách xa như thể hiện trong Hình 1 là một sản phẩm module thực hành PLC S7 -300 giao tiếp máy tính HMI có trên thị trường. Việc tự phát triển các phần mềm kết nối và điều khiển bằng máy tính PC với thiết bị điện - điện tử công nghiệp bằng giao thức Modbus vẫn còn là vấn đề cần phải quan tâm nhiều hơn [2], [3], [4]. Ngoài ra, việc tự phát triển phần mềm còn giúp kỹ sư, sinh viên, học viên nghiên cứu sâu hơn về truyền thông công nghiệp, Hình 1. Bộ thực hành PLC khai thác có hiệu quả hơn các thiết bị điện tử công nghiệp hiện S7 -300 giao tiếp máy tính đại. HMI. Trên cơ sở các lí do trên, nhóm tác giả đề xuất tự xây dựng một module thực hành biến tần – động cơ không đồng bộ 3 pha giao tiếp máy tính PC sử dụng giao diện được thiết kế trên phần mềm LabVIEW. Giao diện giám sát và điều khiển được thiết kế trên máy tính trực quan, cập nhật được thông số cài đặt, hiển thị được đầy đủ thông tin hoạt động của hệ thống. 2. Phương pháp 60
a. Thiết kế phần cứng  Sơ đồ hệ thống Sơ đồ khối của hệ thống được mô tả như Hình 2. Hệ thống bao gồm máy tính cá nhân cài đặt phần mềm LabVIEW, biến tần INVT GD20, động cơ không đồng bộ 3 pha, bộ giao tiếp chuyển đổi USB to RS485, các khí cụ điện phụ trợ. PC: máy tính cá nhân được sử dụng ở vị trí cấp giám sát giữ vai trò thu thập, hiển thị các thông tin được gửi lên từ cấp điều khiển và gửi yêu cầu điều khiển xuống cấp điều khiển. Giao tiếp giữa PC và biến tần INVT GD20 sử dụng bộ chuyển đổi USB to RS485 thông qua giao thức truyền thông Modbus RTU. Giao diện giám sát điều khiển được thiết kế trên phần mềm LabVIEW. Biến tần, động cơ: Đây là cơ cấu chấp hành, giữ vai trò nhận tín hiệu từ PC hoặc panel điều khiển trên biến tần để thay đổi tần số Hình 2. Sơ đồ hệ thống. cấp vào động cơ.  Một số sơ đồ đấu dây điều khiển động cơ trong module thực hành Điều khiển động cơ thuận nghịch bằng công tắc 2 vị trí: chức năng điều khiển biến tần chạy thuận nghịch bằng công tắc 2 vị trí, thay đổi tốc độ bằng biến trở ngoài hoặc trên giao diện LabVIEW. Ngõ ra relay 1 kết nối với quạt làm mát khi biến tần chạy và relay 2 nối một đèn vàng dùng để báo lỗi. Sơ đồ đấu dây được vẽ như Hình 3. Thiết lập điều khiển: - P00.01 = 1 chọn lệnh chạy bằng công tắc ngoài. Hình 3. Điều khiển động cơ thuận nghịch bằng công tắc - P00.05 = 1 2 vị trí. chọn chân S1 có chức năng chạy thuận. - P00.06 = 2 chọn chân S2 có chức năng chạy nghịch. + Thiết lập điều khiển tốc độ bằng biến trở: - P00.06 = 2 chọn nguồn cài đặt tần số là biến trở nối với chân AI2, nếu chọn bằng 1 là điều khiển bằng biến trở trên panel. + Thiết lập điều khiển quạt và đèn: - P06.03 = 1 kích ON relay 1 khi biến tần chạy thuận hoặc nghịch. - P06.04 = 5 kích ON relay 2 khi biến tần báo lỗi. + Thiết lập cài đặt nâng cao: 61
- P00.11 = 5 đặt thời gian tăng tốc của biến tần, chức năng này của biến tần như khởi động mềm. - P00.12 = 5 cài đặt thời gian giảm tốc. - P00.03 = 50 Hz tần số lớn nhất. - P00.04 = 50 Hz tần số giới hạn trên. Điều khiển động cơ chạy thuận nghịch bằng nút nhấn: Chức năng điều khiển biến tần cho phép động cơ chạy thuận, nghịch bằng nút nhấn, thay đổi tốc độ bằng biến trở ngoài hoặc trên giao diện LabVIEW. Ngõ ra relay 1 kết nối với đèn báo chạy Hình 4. Điều khiển động cơ chạy thuận nghịch thuận, relay 2 nối một đèn khác bằng nút nhấn. dùng để báo chạy nghịch. Sơ đồ đấu dây biến tần mô tả như trên Hình 4. Cài đặt thông số điều khiển như sau: - P00.18 = 1 Thiết lập thông số về mặc định nhà sản xuất. + Cài đặt chạy thuận, nghịch, dừng biến tần bằng nút nhấn. - P00.01 = 1 cài đặt chạy biến tần chạy bằng lệnh ngoài. - P05.01 = 1 sử dụng chân S1 để chạy thuận - P05.02 = 2 sử dụng chân S2 để chạy nghịch - P05.03 = 3 sử dụng chân S3 làm chức năng cho phép chạy, S3 hở thì biến tần dừng. - P05.13 = 3 sử dụng chức năng điều khiển 3 dây. + Thiết lập cài đặt relay Hình 5. Điều khiển biến tần chạy cấp tốc độ. ngõ ra điều khiển đèn: - P06.03 = 2 kích relay 1 khi chạy thuận. - P06.04 = 3 kích relay 2 khi chạy nghịch. Điều khiển biến tần chạy cấp tốc độ có sơ đồ như Hình 5. Thiết lập cài đặt thông số điều khiển chạy cấp tốc độ: - P00.18 = 1 trả thông số về mặc định của biến tần. + Cài đặt tần số lớn nhất phù hợp với động cơ: - P00.03 = 50 Hz cài đặt tần số lớn nhất. P00.04= 50 Hz cài đặt tần số giới hạn trên. + Cài đặt chạy cấp tốc độ thuận, nghịch bằng 4 công tắc 2 vị trí: - P00.01=1 cài chạy bằng lệnh ngoài. - P05.01 = 1 cài chân S1 chức năng chạy thuận. - P05.02 = 2 cài chân S2 chức năng chạy nghịch. 62
- P05.03 = 16 cài chân S3 chức năng chạy cấp tốc độ 1. - P05.04 = 17 cài chân S4 chức năng chạy cấp tốc độ 2. - P00.06 = 6 chọn tần số điều khiển bằng cấp tốc độ. + Cài đặt tần số cho 2 cấp tốc độ: - P10.04 = 15% của tốc độ lớn nhất P00.03 - P10.06 = 40% của tốc độ lớn nhất P00.03 b. Ghép nối truyền thông máy tính PC với biến tần INVT GD20  Giao thức truyền thông Modbus Truyền thông Modbus là một giao thức truyền thông phổ biến trong công nghiệp, các thiết bị có thể giao tiếp với nhau thông qua giao thức truyền thông này qua cổng truyền RS485. Trong nghiên cứu này, truyền thông Modbus với biến tần INVT GD20 được cấu hình ở chế độ RTU. Một thiết bị Master điều khiển các Slave, thiết bị Master sẽ gửi tín hiệu lệnh, yêu cầu tới các thiết bị Slave khác và thực thi lệnh đó. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả sử dụng thiết bị Master là máy tính PC, thiết bị Slave là biến tần INVT GD20, có sơ đồ ghép nối như Hình 6 [2], [4].  Cấu hình truyền thông Modbus với biến tần INVT GD20 Truyền thông Modbus của biến tần INVT GD20 sử dụng chế độ RTU được cài đặt như sau: - P00.01 = 2 điều khiển động cơ qua RS485 - P00.06 = 8 thiết lập tần số qua RS485 - P00.09 = 0 lựa chọn tần số - P14.00 = 1 định địa chỉ Hình 6. Sơ đồ ghép nối Modbus giữa - P14.01 = 3 thiết lập tốc độ baud 9600bps máy tính PC với biến tần INVT - P14.02 = 1 cấu hình Modbus-RTU 8/E/1 GD20. - P14.03 = 5 - P14.04 = 0 Thiết lập địa chỉ điều khiển được mô tả như Bảng I. Bảng 1. Thiết lập địa chỉ điều khiển Chức năng Địa chỉ Lệnh Thực hiện 2000H 0001H: chạy thuận 0002H: chạy ngược 0003H: chạy thuận (jogging) 0004H: chạy ngược (jogging) 0005H: dừng 0006H: dừng khẩn cấp Lệnh điều khiển 0007H: reset lỗi Ghi dữ liệu truyền thông 0008H: dừng (jogging) 2001H Thiết lập tần số truyền thông Thiết lập địa chỉ điều khiển động cơ: - MCA = 2000 (hex) = 8192 (dec) - W8192 = 1 chạy thuận - W8192 = 2 chạy nghịch - W8192 = 5 dừng - FSA = 2001 (hex) = 8193 (dec) Thiết lập địa chỉ giám sát được mô tả như Bảng II. 63
Bảng 2. Thiết lập địa chỉ giám sát Chức năng Địa chỉ Lệnh Thực hiện Tần số hoạt động 3000H Dải: 0.00Hz – Đọc dữ liệu P00.03 Thiết lập tần số 3001H Dải: 0.00Hz – Đọc dữ liệu P00.03 Bus điện áp 3002H Dải: 0 – 2000V Đọc dữ liệu Điện áp ra 3003H Dải: 0 – 1200V Đọc dữ liệu Dòng điện ra 3004H Dải: 0.0 – 3000.0A Đọc dữ liệu c. Thiết kế giao diện và lập trình ghép nối truyền thông trên máy tính PC Việc thiết kế một giao diện trên máy tính PC sử dụng hệ điều hành Windows có thể dùng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau như LabVIEW, Visual C++, Visual C#, Visual Basic, Delphi,… [3]. Trong bài báo này, nhóm tác giả sử dụng ngôn ngữ LabVIEW, là môi trường ngôn ngữ đồ họa hiệu quả trong việc giao tiếp đa kênh giữa con người, thuật toán và các thiết bị. LabVIEW là ngôn ngữ đồ họa hiệu quả vì về cách thức lập trình, LabVIEW khác với các ngôn ngữ C (hay Python, Basic, vv.) ở điểm thay vì sử dụng các từ khóa cố định Hình 7. Mã nguồn viết bằng LabVIEW. thì LabVIEW sử dụng các khối hình ảnh sinh động và các dây nối để tạo ra các lệnh và các hàm như trong Hình 7. Vì sự khác biệt này mà LabVIEW đã giúp cho việc lập trình trở nên đơn giản hơn, đặc biệt LabVIEW rất phù hợp đối với kỹ sư, nhà khoa học, hay giảng viên. Chính sự đơn giản, dễ học, dễ nhớ đóng góp cho LabVIEW trở thành một trong những công cụ phổ biến trong các ứng dụng thu thập dữ liệu từ các cảm biến, phát triển các thuật toán, và điều khiển thiết bị tại các phòng thí nghiệm trên thế giới. Hệ thống điều khiển và tự động hóa mà đặc biệt là các hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu (SCADA & DCS) trong các hệ thống tự động hóa tích hợp toàn diện ta hoàn toàn có thể lập trình trên LabVIEW mà không cần dùng thiết bị của hãng. 2. Kết quả và thảo luận Trên cơ sở nghiên cứu và xây dựng thuật sử dụng môi trường thiết kế giao diện LabVIEW, nhóm tác giả đã thiết kế một giao diện truyền thông Modbus RTU trên máy tính PC cho hệ biến tần - động cơ không đồng bộ 3 pha như trong Hình 8. Sau khi kết nối máy tính PC với biến tần bằng chuẩn truyền thông RS485 nhóm tác giả đã hoàn thành hệ thống thực hành truyền thông Modbus máy tính PC - biến tần như trong Hình 9. Hệ thống hoạt động thực hiện như sau: 64 Hình 8. Giao diện giám sát và điều khiển.
- Thiết lập cổng Comm cho Master là máy tính PC và địa chỉ của Slave là biến tần trên giao diện, xác nhận bằng nút chức năng trên giao diện như trong Hình 8; - Thiết lập chế độ vẽ đồ thị, đặt tần số, đo dòng điện và điện áp trên giao diện; - Muốn khởi động hoặc dừng động cơ nhấn vào nút Start, Stop trên giao diện LabVIEW của máy tính PC. - Cho hệ thống hoạt động bằng cách nhấn vào nút quay thuận hoặc nút quay nghịch. Khi đó, hệ biến tần - động cơ sẽ hoạt động, động cơ quay thuận hoặc nghịch với các tốc độ khác nhau theo các tần số được thiết lập được thể hiện trong Bảng III; Bảng 3. Tần số đặt cho hệ biến tần - động cơ và các thông số đo và hiển thị được trên phần mềm Tần số đặt Dòng Điện Tốc độ (Hz) điện (A) áp (V) (RPM) 20 0,6 85 400 30 0,6 125 850 40 0,6 155 1250 50 0,6 210 1500 Hình 9. Module thực hành biến tần – động cơ không đồng bộ ba pha. Để phù hợp thông số trang thiết bị động cơ không đồng bộ 3 pha có sẵn trong phòng thí nghiệm, khảo sát kiểm thử hệ thống thực hiện trong dải tần 20÷50 Hz, kết nối hệ thống thí nghiệm như trong Hình 9, những giá trị đặt tần số như trong Bảng III, các thông tin như điện áp, dòng điện, tốc độ quay được hiển thị, cập nhật thời gian thực trên giao diện. Giao diện đã hiển thị chính xác, nhiều thông tin cập nhật thời gian thực hơn so với màn hình LED của biến tần chỉ hiện thị được một thông tin trong cùng thời điểm. Ngoài ra, giao diện cũng tự động cập nhật các dữ liệu tần số đặt và tự động đọc chính xác tần số từ hệ thống và vẽ đồ thị đặc tính thay đổi tần số như thể hiện Hình 9. Kết quả cho thấy, từ các tần số đặt khác nhau từ máy tính, hệ thống hoạt động ổn định, các đại lượng đọc được chính xác. Với việc thiết kế hệ thống đơn giản, giao diện được bố trí rõ ràng, trực quan, hiển thị đầy đủ các thông tin hoạt động của biến tần, thuận tiện cho việc giảng dạy trong phòng thực hành. 65
3. Kết luận Từ các kết quả thí nghiệm và phân tích ở mục trên, có thể nhận thấy hệ thực hành biến tần – động cơ đã thực hiện được tất cả các thí nghiệm mà mục tiêu nghiên cứu đặt ra. Trong bài báo này, hệ biến tần-động cơ được ghép nối thành công với máy tính PC thông qua truyền thông Modbus bằng giao diện LabVIEW, ngôn ngữ đồ họa hiệu quả trong việc giao tiếp đa kênh giữa con người, thuật toán và các thiết bị. Kết quả hoạt động của hệ thống cho thấy hệ thống làm việc ổn định, chính xác, việc thao tác thí nghiệm dễ dàng, phù hợp với giảng viên, sinh viên trong giảng dạy và học tập về truyền thông công nghiệp và điều khiển máy điện. Tuy nhiên, nghiên cứu còn một số hạn chế sau: thí nghiệm đang chỉ thực hiện trong điều kiện hệ thống hoạt động ở chế độ không tải, giao diện truyền thông được phát triển trong môi trường LabVIEW còn đơn giản. Trong tương lai, nhóm tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu thiết kế giao diện truyền thông phong phú hơn, thí nghiệm với hệ thống hoạt động ở nhiều chế độ tải khác nhau. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Trương Việt Anh, Nguyễn Trung Thắng. (2011). Thiết kế và thi công mô hình thí nghiệm nhà máy điện giữa máy tính PC với hệ biến tần – động cơ không đồng bộ ba pha. Tạp chí khoa học công nghệ hàng hải, 19, 64-71. 2. Đào Minh Quân, Đào Quang Khanh. (2020). Thiết kế và thi công mô hình thí nghiệm nhà máy điện giữa máy tính PC với hệ biến tần – động cơ không đồng bộ ba pha. Tạp chí khoa học công nghệ hàng hải, 62, 37-41. 3. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn. (2020). Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật. 4. Đinh Anh Tuấn, Đào Minh Quân. (2015). Mạng truyền thông công nghiệp tàu thủy, Nhà xuất bản Hàng hải. 5. Shenzhen INVT Electric Co.,Ltd, Operation Manual Goodrive20 Series Inverter, 2015. 6. Savas Sahin Modbus ‐ Based SCADA/HMI Applications, Journal of Information Technology and Application in Education, 2013. 7. Sachintha Kariyawasam, Real-Time Simulation of a Microgrid Control System using modbus Communication, RTDS Technologies Inc., Winnipeg, Canada, 2018. 8. Traian Turc, Gas Plant SCADA Software Application¸ University of Targu Mures, 2015. 66