BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG HMI TRONG
ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT BIẾN TẦN

Nghành :ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Niêm khóa : 2005-2009


LỜI CẢM ƠN

Qua thời gian làm khóa luận , tiểu luận của em đã nêu lên được nhưng vấn đề cơ bản
của HMI, PLC, Biến Tần, Động Cơ trong công nghiệp , mặc dù chưa hoàn thiện ở tất cả
các mặt, tuy nhiên đó là sự nỗ lực hết mình của cá nhân. Bên cạnh đó là sự truyền đạt
hướng dẫn tận tình của các thầy cơ trong bộ mơn Điều Khiển Tự Động. Qua đây em xin
gửi lời cảm ơn và tri ân sâu sắc tới thầy Lê ngọc Bích người đã trực tiếp hướng dẫn em
ngay từ những ngày đầu nhận tiểu luận và trong suất quá trình thực hiện khóa luận
này. Em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Văn Bạn, thầy đã tạo điều kiện và góp ý cho em
hồn thành khóa luận. Và nhóm xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các bạn cùng khóa đã giúp
đỡ trong suất q trình học tập tại trường ĐH Nơng Lâm TP. Hồ Chí Minh.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn !


LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây bộ điều khiển lập trình PLC được sử dụng ngày càng rộng rãi
trong công nghiệp, là giải pháp lý tưởng cho việc tự động hóa các q trình sản xuất PLC
đóng vai trị trung tâm trong điều khiển, dễ dàng lập trình ,cho phép nhanh chóng thay
đổi chương trình điều khiển ,ứng dụng trong phạm vi rộng ,chuẩn hóa được điều khiển,

giá thành thấp và dễ dàng trong bảo trì sửa chữa , độ chính xác cao trong mơi trường
cơng nghiệp….Nhu cầu tích hợp điều khiển biến tần qua PLC từ đó cũng đang được quan
tâm nhiều thêm vào đó giải pháp sử dụng giao diện người và máy (HMI) đã và đang
được trang bị ở hầu hết các dây chuyền sản xuất .Khi mà mọi việc hầu như thực hiện ở
máy móc người điều hành thiên về giám sát hơn là điều khiển.
Chính vì vậy các ứng dụng ở cấp độ điều khiển HMI-PLC-Biến tần-động cơ ngày càng
được sử dụng rộng khắp .Đây cũng là lý do tạo nên động lực để nhóm đi vào tìm hiểu hệ
trên. Với mục đích làm quen dần và có cái nhìn cơ bản về hệ thống này.
Tuy nhiên do hạn chế về kinh nghiệm thực tế cũng như về kiến thức và thời gian thực
hiện nên tiểu luận sẽ khơng thể tránh những thiếu xót .Do đó nhóm cũng rất mong được
sự chỉ bảo thêm của q thầy cơ cùng tất cả các bạn.
Tp.Hồ Chí Mình ngày …..tháng ….năm 2010


MỤC LỤC
Trang
Chương 1: Mở đầu
1. Lý do và tính thực tiễn

1

2. Đối tượng nghiên cứu

2

3. Giới hạn của tiểu luận

2

Chương 2: Tổng quan hệ thống HMI – PLC- INVERTER

1: INVERTER
1.1 Tổng quan về bộ biến đổi tần số (INVERTER )

3

1.2 Ứng dụng chung của biến tần

4

1.3 Khảo sát biến tần MicroMaster 420 của SIEMENS

5

1.3.1 Thông số kĩ thuật

6

1.3.2 Sơ đồ đấu dây:

8

1.3.3. Các thông số cơ bản

9

1.4 Các thông báo lỗi và cảnh báo
2 : PLC S7-200

16
18


2.1 Cấu trúc phần cứng

18

2.2 Nguyên lý hoạt động

23

2.3 Cấu trúc bộ nhớ

23


2.4 Sơ đồ kết nối phần cứng CPU 224 XP

25

2.5 Giới thiệu giao thức USS

26

3 : Giao tiếp người vận hành HMI

32

Chương 3 : Kết quả thi cơng mơ hình
3.1

Điều khiển biến tần qua giao thức USS


37

3.1.1

Sơ đồ khối và lưu đồ thuật tốn cho mơ hình điều khiển USS

37

3.1.2

u cầu điều khiển

38

3.1.3

Thiết lập liên kết giữa Step 7 Microwin và S7-200 PC Access

39

3.1.4

Thực hiện liên kết trên WinCC Flexile

41

3.1.5

Vận hành và khảo nghiệm


43

3.2 Điều khiển biến tần qua modul Analog
3.2.1

Sơ đồ khối và lưu đồ giải thuật cho mô hình

44

3.2.2

Xây dựng cơng thức tính tốc độ RPM

45

3.2.3

Thiết kế giao diện điều khiển trên MicroSoft Excel

45

3.2.4

Vận hành và khảo nghiệm

46

Chương 4 : Kết luận và thảo luận
4.1 Kết quả nghiên cứu


48

4.2 Thảo luận

49

4.3 Kết luận chung và hướng phát triển tiểu luận.
Chương 5 : Phụ lục

50


Chương trình PLC cho mơ hình điều khiển biến tần qua giao thức USS
Chương trình PLC cho mơ hình điều khiển biến tần qua modul analog


CHƯƠNG 1 : MỞ ĐẦU

1 : Lý do và tính thực tiễn của tiểu luận
Việc tự động hóa trong cơng nghiệp và ổn định tốc độ động cơ đã không cịn xa lạ gì với
những người đang cơng tác trong nghành kỹ thuật điều khiểnvà sự ra đời của biến tần đã
mang lại trong công việc ổn định và thay đổi tốc độ động cơ một cách dễ dàng nhất mà
hiện nay hầu hết các xí nghiệp đang sử dụng. Sự kết hợp giữa HMI , PLC và
INVERTER (biến tần )đã tạo ra hiệu quả tối ưu cho việc tự động hóa các dây chuyền sản
xuất một cách linh hoạt.Vì mọi công việc hầu như được thực hiện bởi máy móc con
người sẽ thiên về giám sát hơn là trực tiếp điều khiển.Chính vì vậy các nhà máy hiện nay
cũng đang hướng dần đến xu thế trên.
Nhu cầu tích hợp điều khiển biến tần qua PLC cũng đang được quan tâm nhiều ,thêm vào
đó giải pháp sử dụng mạng trong điều khiển, đặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa là rất

cần thiết. Mạng DDS (Distributed Driver System )đã và đang là giải pháp để điều khiển
một hệ Biến tần với độ tin cậy cao. Mặt khác, để điều khiển một hệ Biến tần chỉ dùng
những đầu vào ra số và tượng tự trên nó làm tốn các đầu vào ra số và tương tự tương ứng
trên PLC, làm tăng số lượng dây nối, giảm độ tin cậy và làm tăng giá thành của hệ thống.
Trong hệ DDS của Siemens sử dụng giao thức USS để điều khiển Biến tần rất là hiệu quả
và có độ tin cậy cao. Nếu dùng giao thức USS thì một PLC có thể điều khiển tối đa 32
Biến tần mà không cần đầu ra do đó mang lại hiệu quả kinh tế rất cao. Thơng qua giao
thức này, từ một PLC có thể thay đổi và giám sát phần lớn các tham số trên Biến tần.
Để công việc điều khiển được thuận lợi và trực quan hơn dễ dàng sử dụng cho bất kì ai
khơng nhất thiết phải là dân kỹ thuật thì nhóm đã chọn phần mềm WinCC Flexible 2008
và phần mềm bảng tính phổ thơng Microsoft Excel 2007 để thiết kế giao diện , tạo lập cơ
sở dữ liệu, cảnh báo hình thành mạng SCADA mini để điều khiển và giám sát hệ
thống.Đây là những phần mềm ngôn ngữ cấp cao do sự kết hợp các bí quyết SIEMENS
và năng lực của MicroSoft người dùng có thể n tâm với cơng nghệ phần mềm này.Với


những lý do trên thì nhóm đã quyết định thực hiện tiểu luận với mơ hình “ HMI cho biến
tần SIEMENS MM420”trên phần mềm WinCC Flexible và mơ hình HMI cho biến tần
SIEMENS MM420 trên phần mềm MicroSoft Excel
2 : Đối tượng nghiên cứu
Biến tần MicroMaster 420 của SIEMENS
Bộ khả trình PLC S7-200
Phần mềm lập trình Step 7 MicroWin
Bộ mã hóa Encorder
Phần mềm S7-200 PC Access
Phần mềm bảng tính MicroSoft Excel.
Phần mềm WinCC Flexible
3 : Giới hạn của tiểu luận
Do thời gian có hạn nên tiểu luận chỉ mang tính chất lý thuyết chưa đưa vào ứng
dụng cụ thể. Chỉ tập trung giới thiệu và nêu lên các ứng dụng và giải pháp thực tế.



CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN HỆ THỐNG HMI-PLC-INVERTER
1

INVERTER
1.1 Tổng quan về bộ biến đổi tần số (INVERTER )
Bộ biến đổi tần số hay còn gọi là bộ biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện
xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác mà có thể
thay đổi được.Đối với các bộ biến tần sử dụng điều chỉnh tốc độ động cơ xoay
chiều thì ngồi việc thay đổi tần số nó cịn thay đổi cả điện áp ra khác với điện
áp vào cấp cho bộ biến tần. Phân loại biến tần
Bộ biến tần được chia làm 2 nhóm : Biến tần máy điện và Biến tần van
 Biến tần máy điện

Nguyên lý chung của nhóm này là dùng máy phát điện xoay chiều làm nguồn
điện có tần số thay đổi


Hình 2.1 Biến tần máy điện
Việc sử dụng cũng như điều khiển loại rất phức tạp vì phải sử dụng nhiều loại
máy điện
Diện tích lắp đặt lớn ,hiệu suất làm việc thấp ,gây ồn ,nền móng phải kiên cố nên
giá thành cao.
 Biến tần van

Nguyên lý làm việc của biến tần van là dùng các tín hiệu điều khiển để đóng mở
các van ( ở đây thường là Tiristor hay Transistor ) biến đổi năng lượng điện xoay
chiều ở tần số này thành năng lượng điện xoay chiều qua tần số khác.Biến tần
van được chia làm 2 loại :

 Biến tần trực tiếp
 Biến tần gián tiếp

Hình 2.2 Sơ đồ khối biến tần van
Biến tần van được ứng dụng rộng rãi vì có nhiều ưu điểm như : kích thước nhỏ
nhẹ không gây ồn hệ số khuếch đại công suất lớn, hiệu suất cao.Ở loại biến tần
này điện áp xoay chiều đầu tiên được chuyển thành một chiều nhờ mạch chỉnh
lưu ,qua bộ lọc rồi nghịch lưu lại thành điện áp xoay chiều với tần số f2 .Điện áp


đầu ra được điều chỉnh nhờ sự thay đổi góc thơng của các van trong nhóm chỉnh
lưu hay điều chế độ rộng xung
1.2 Ứng dụng chung của biến tần
Biến tần ngày nay đã được sử dụng rộng rãi như một phần không thể thiếu
được trong hầu hết các dây chuyền tự động .Với những tính năng nổi trội như
cải thiện chế độ điều khiển , cải thiện tính năng : ổn định tốc độ động cơ,thay
đổi tốc độ động cơ một cách dễ dàng ,bảo vệ quá dòng ,thấp áp, quá áp,ngắn
mạch ,chạm đất , giảm mỏi cơ khí ,tiết kiệm điện năng…vì những ưu điểm trên
đây thì biến tần đã khơng cịn xa lạ gì trong ứng dụng trong ngành xi măng ,
thang máy, cầu trục, trạm cấp nước , băng tải ,buồng trộn…
Một trong những hãng đi đầu cho việc điều khiển chuyển động đó là SIEMENS
Hãng đã cho ra đời hàng loạt dải cơng suất và tính năng đặc biệt để phù hợp với
mọi ứng dụng trong thực tế.Qua đây thì nhóm lựa chọn họ MICROMASTER 420
để khảo sát và đưa vào ứng dụng.
1.3 Khảo sát dòng biến tần MicroMaster 420 (MM420 ) của SIEMENS
MicroMaster 420 là biến tần cỡ trung của SIEMENS.MM420 có dải cơng suất từ
0.37 Kw đến 11 Kw.Phù hợp cho mọi ứng dụng và được sử dụng rộng rãi trong
công nghiệp và nông nghiệp..
Khi xuất xưởng, các thông số của biến tần được cài đặt theo những giá trị
mặc định. Các giá trị này phù hợp với các thông số mạch động lực của biến tần

và động cơ cùng thông số.


Khi cài đặt thông số lại, phải chú ý đến các thông số mạch động lực, thông
số động cơ, thông số biến tần, phương thức điều khiển (P1300). Lúc này nên
cho biến tần tính tốn các thơng số (P3900 ≠ 0) để có cách hiệu chỉnh và điều
khiển thích hợp.
Các thơng số của biến tần rất nhiều, do đó khó có thể xem hết các thơng số
trước đó khi cài lại biến tần. Chỉ cần xem lại các thông số chính cần thiết để lưu
ý, thơng thường các thơng số còn lại sẽ được cài giống với nhà sản xuất. Để cài
đặt lại tất cả các thông số như lúc xuất xưởng thì thực hiện theo 2 bước sau:
-

Đặt P0010 = 30 ,P970 = 1
1.3.1 Thông số kĩ thuật

220-240V 1 phase AC±10℅ 0,12-3kw
Điện áp vào và công suất

100-120V 1phase AC±10℅ 0,12-5.5kw
380-480 V 3phase AC±10℅ 0.37-11kw

Tần số điện vào
Tần số điện ra
Hệ số công suất

47 đến 63 Hz
0đến 650 Hz
0.95



Hiệu suất chuyển đổi

Khả năng q tải

96-97 %
Q dịng × 1.5 dòng định mức trong 60s ở mỗi
300s

Phương pháp điều khiển

Tuyến tính V∕f ,bình phương , đa điểm, điều khiển
dịng từ thông
16Hz (tiêu chuẩn )

Tần số điều chế xung PWM

Tần số cố định
Dải tần số nhảy

Độ phân giải điểm đặt

2-16 kHz ( bước chỉnh 2 kHz )

7 ,tùy vào mục đích sử dụng
4 tùy vào mục đích sử dụng
10 bit analog
0.01 Hz cho giao tiếp nối tiếp

đầu vào số


3 ,cách ly, lập trình được có thể lựa chọn PNP hoặc
NPN

Đầu vào tương tự
Đầu ra relay

1, dùng cho điểm đặt hay phản hồi PI (0-10 v)
1 có thể chọn chức năng được


Đầu ra tương tự
Cổng giao tiếp nối tiếp
Hãm
Cấp độ bảo vệ
Dải nhiệt độ làm việc
Độ cao lắp đặt

Chức năng bảo vệ

1, từ 4-20 mA
RS 485 vận hành với USS protocol
DC ,tổ hợp
IP 20
Từ -10 đến 50 °C
1000m trên với mực nước biển
Thấp áp ,quá áp, quá nhiệt ,chống kẹt ,ngắn
mạch ,chạm đất, khóa tham số PIN
Loại vỏ cao


Kích thước

rộng

sâu

kg

A

173

73

149

1

B

202

149

172

3.3

C


245

185

195

5.0


1.3.2 Sơ đồ đấu dây:



1.3.3. Các thông số cơ bản
P0003: Mức truy nhập của người dùng
1 :Mức cơ bản cho phép người dùng truy cập đến những thơng số thường
dùng
2 :Mở rộng có thể truy nhập đến các chức năng I/O
3 : Mức truy nhập cao nhất có thể đến tất cả các thơng số
P0005 : lựa chọn trạng thái hiển thị của biến tần
21_Tần số thực tế trên biến tần
25_Điện áp ra trên biến tần
26_Điện áp DC
27_Dịng điện
P0010 : cài đặt thơng số
0 :sẵn sàng
1: cài đặt nhanh
30 cài đặt chế độ xuất xưởng
P0100 : lựa chọn tiêu chuẩn cho biến tần



0 : Châu Âu ( Kw ) tần số 50 Hz
1 : Bắc Mỹ (Hp ) tần số 60 Hz
2: Bắc Mỹ ( Kw ) tần số 60 Hz

P0304 :cài đặt điện áp định mức cho động cơ
P0305 :cài đặt dịng điện định mức cho động cơ
P0307 :cài đặt cơng suất định mức cho động cơ
P0308 :cài đặt hệ số cosφ định mức cho động cơ
P0309 :cài đặt hiệu suất định mức cho động cơ
P0310 :cài đặt tần số định mức cho động cơ
P0311:cài đặt tốc độ định mức cho động cơ
P0335:cài đặt chế độ làm mát cho động cơ
0 :làm mát tự nhiên
1: làm mát cưỡng bức


P0640:cài đặt hệ số quá tải cho động cơ
P0700 : chọn nguồn lệnh
0 Cài mặc định khi xuất xưởng
1 Cài tại chỗ trên màn hình BOP
2 Cài từ xa qua công tắc, biến trở,..
5 Cài với chế độ USS trên đường truyền COM
Các chế độ có thể cài đặt:
P0701 : chức năng đầu vào số 1

0 : đầu vào số không hoạt động
1 : ON/OFF1
2 : ON + đảo chiều / OFF1


P0702 : chức năng đầu vào số 2

3: OFF2 dừng tự do
4 OFF3 dừng khẩn cấp
9 : nhận biết lỗi

P0703 : chức năng đầu vào số 3

10 : chạy nhấp thuận
11 : chạy nhấp ngược

P0704 : chức năng đầu vào số 4

12 : đảo chiều
15 : điểm đặt cố định


16 : điểm đặt cố định + Nút ON
17 ; điểm đặt cố định + mã nhị phân
P01000 : chọn giá trị đặt tần số
0 khơng có giá trị cài đặt chính
1 : giá trị đặt MOP
2 : giá trị tương tự
3 : tần số cố định
4 : USS trên đường truyền BOP
5 : USS trên đường truyền COM link
15: USS trên đường truyền COM link + MOP setpoint
25: USS trên đường truyền COM link + analog setpoint
35 : USS trên đường truyền COM link + tần số cố định



P01001 : tần số cố định 1
P01002 : tần số cố định 2
P01003 : tần số cố định 3
P01004 : tần số cố định 4
P01005 : tần số cố định 5
P01006 : tần số cố định 6
P01007 : tần số cố định 7
P1016

:Mã tần số cố định - bit 0

P1017

:Mã tần số cố định - bit 1

P1018

:Mã tần số cố định - bit 2

1 : chọn trực tiếp
2: chọn trực tiếp + lệnh ON
3 : chọn chế độ mã hoá nhị phân

P1091 : tần số nhảy 1 (đơn vị Hz ) xác định tần số nhảy 1 để tránh các ảnh
hưởng của hiện tượng cộng hưởng cơ học và để khử các tần số trong khoảng ±
P1101


P1092 : tần số nhảy 2

P1093 : tần số nhảy 3
P1101 : dải tần số nhảy
P 1080 : tần số nhỏ nhất ( đặt tần số nhỏ nhất cho động cơ ,tại đó động cơ sẽ
chạy mà khơng phụ thuộc vào tần số đặt ,nếu điểm đặt có giá trị nhỏ hơn giá trị
thơng số P1080 thì tần số đầu ra được đặt ở P1080 và đảo dấu
P1082 : tần số lớn nhất (HZ )
đặt tần số lớn nhất cho động cơ tại đó động cơ sẽ chạy mà khơng phụ thuộc
vào tần số đặt .Nếu điểm đặt vượt quá giá trị của thơng số P1080 thì tần số đầu
ra được giới hạn.Giá trị đặt ở đây có tác dụng cho cả hai trường hợp động cơ
quay thuận và quay ngược chiều kim đồng hồ
P1120 : thời gian tăng tốc (s)


P1121 : thời gian giảm tốc (s)

P1300 : chế độ điều khiển V/F
Dùng thông số này để chọn chế độ điều khiển . Đối với chế độ điều khiển mặc
định V/f tỷ số giữa điện áp của biến tần với tần số ra của biến tần được xác định
:
0 : V/f tuyến tính
1 : V/f điều khiển dịng từ thơng FCC
2: V/f với đặc tính parabol

3 : ta có thể lập trình đường đặc tính V/f ở chế độ này


P1320 : toạ độ của tần số thứ nhất của luật V/f
P1321 : toạ độ điện áp thứ nhất của luật V/f
P1322 : toạ độ của tần số thứ hai của luật V/f
P1323 : toạ độ điện áp thứ hai của luật V/f

P1322 : toạ độ của tần số thứ ba của luật V/f
P1325 : toạ độ điện áp thứ ba của luật V/f

1.4 Các thông báo lỗi và cảnh báo
Lỗi

Ý nghĩa

Cảnh báo

Ý nghĩa

F0001

lỗi quá dòng

A0501

Giới hạn dòng

F0002

Lỗi quá áp

A0502

Giới hạn quá áp

F0003


Lỗi thấp áp

A0503

Giới hạn thấp áp

F0004

Quá nhiệt bộ biến tần

A0504

Quá nhiệt độ biến tần

F0005

Quá tải I2t của biến tần

A0505

Quá tải I2t của biến tần


F0011

F0041

Quá tải động cơ I2t

A0506


Lỗi chu kì mang tải của
biến tần

lối xác định dữ liệu động A0511

Quá nhiệt động cơ

cơ
F0051

F0052

Lỗi thơng số EEPROM

A0541

cơ được kích hoạt

Lỗi phần cơng suất biến A0710
tần

F0060

ASIC lỗi

F0070

Lỗi giá trị điểm đặt CB


Chế độ nhận dạng động

A0920

lỗi truyền thông CB
Các thông số ADC không
được đặt hợp lí

A0922

Bộ biến tần khơng nối
tải