Điều khiển biến tần thông qua PLC bằng ngôn ngữ lập trình Ladder

1. Khái niệm chung

1.1. Khái niệm về biến tần (VFD)

Biến tần (Inverter) hay còn được gọi là bộ biến đổi tần số (Variable Frequency Drive, VFD) là một loại thiết bị điều khiển công suất sử dụng công nghệ chuyển đổi tần số và công nghệ vi điện tử để điều khiển động cơ xoay chiều bằng cách thay đổi tần số công suất làm việc của động cơ.

1.1.1. Nguyên lý làm việc

Nguyên lý làm việc chung của biến tần là biến đổi tần số không thay đổi được của nguồn điện (thường là 50-60Hz) ở đầu vào biến tần thành tần số thay đổi được của nguồn điện ở đầu ra biến tần như sau:

Đầu tiên, bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện sẽ lọc nguồn điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha thành nguồn 1 chiều phẳng.
Tiếp theo, phần điện áp 1 chiều này sẽ được biến đổi thành điện áp xoay chiều đối xứng. Sau đó, thông qua trình tự kích hoạt thích hợp bộ biến đổi IGPT của biến tần sẽ tạo ra 1 điện áp xoay chiều bằng phương pháp điều chế độ xung (PWM), tức điện áp có xung (tần số) có thể thay đổi được ở đầu ra biến tần .

Hình 1. Nguyên lý làm việc của biến tần (VFD)

1.2. Khái niệm về PLC

PLC (Programmable Logic Controller), là thiết bị điều khiển lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. PLC dùng để thay thế các mạch relay trong thực tế. PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo. Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic. Hiện nay có nhiều hãng sản xuất ra PLC như Siemens, Allen – Bradley, Mitsubishi Electric,…

1.2.1. Nguyên lý làm việc

CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi. Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song:

Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau.
Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu.
Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điều khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC.

Hình 2. Nguyên lý làm việc của PLC

2. Điều khiển biến tần thông qua PLC

Từ những khái niệm trên ta có thể hiểu được khái quát về hệ thống điều khiển VFD thông qua PLC bằng cách lập trình trên bộ nhớ của PLC và dùng chính PLC đó để điều khiển biến tần chạy với tần số mong muốn. Để hiểu rõ hơn về hệ thống điều khiển này chúng ta cùng nghiên tham khảo ví dụ sau:

2.1. Yêu cầu bài toán

Thiết kế hệ thống bơm nước sinh hoạt trong gia đình, có thể điều chỉnh được tốc độ, đồng thời tự động ngắt khi gặp sự cố ( công suất máy bơm 1HP).

2.2. Giải quyết vấn đề

Để có thể điều khiển bơm chạy với đa cấp tốc độ thì ta phải sử dụng một biến tần để điều khiển động cơ thông qua sự thay đổi tần số và kết hợp với 1 PLC để điều khiển biến tần hoạt động theo ý muốn, cuối cùng là 1 động cơ điện.

Chúng ta có rất nhiều dòng PLC và biến tần để thực hiện điều khiển hệ thống trên. Ở đây chúng ta cùng xét 2 loại PLC và biến tần cơ bản đó là PLC Siemens S7 1200 DC/DC/DC và biến tần Mitsubishi FR-E700 và động cơ không đồng bộ 3 pha 0.75kW.

Đây là 1 ví dụ đầy đủ về thang logic PLC để điều khiển biến tần (VFD) để điều khiển tốc độ động cơ với lựa chọn tốc độ từ Local Panel hoặc SCADA.

Hình 3. Sơ đồ giải thuật của hệ thống

2.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống

2.3.1. Mạch nguồn (Power Circuit)

Hình 4. Sơ đồ đấu dây mạch cấp nguồn

Các phần tử của mạch cấp nguồn:

1F4: MCB 3 pha, đóng cắt, cấp điện cho mạch động lực.
1F6: MCB 1 pha, đóng cắt, cấp điện cho bộ nguồn OMRON.
1F2, 1F2.1, 1F3: cầu chì dùng để bảo vệ đèn báo pha 1H2, 1H2.1, 1H3.
1U6: Bộ nguồn OMRON biến điện áp AC thành DC cấp nguồn cho PLC.

2.3.2. Mạch đấu dây PLC (Wiring Diagram PLC)

Hình 5. Sơ đồ đấu dây PLC

Các phần tử của mạch đấu dây PLC:

2K3: PLC Siemens S7 1200 CPU 1214 DC/DC/DC (6ES7214-1AG40-0XB0).
2K1: Module analog S7 1200 (6ES7232-4HA30-0XB0).

2.3.3. Mạch đấu dây biến tần (Wiring Diagram Inverter)

Hình 6. Sơ đồ đấu dây biến tần

Các phần tử của mạch đấu dây biến tần:

3F2: MCB 3 pha, đóng cắt, cấp điện cho biến tần.
3K2: Contactor, dập hồ quang sinh ra khi đóng cắt mạch.
5K3: Tiếp điểm thường mở điều khiển DC chạy thuận.
3M2: Động cơ 3 pha.

2.3.4. Mạch đấu dây các nút nhấn trên Panel (Wiring Diagram Button)

Hình 7. Sơ đồ đấu dây nút nhấn trên Panel

Các phần tử của mạch nút nhấn trên Panel:

4S3: Nút Safety, kiểm tra an toàn của hệ thống.
4S4: Nút Speed_Selection, chọn điều khiển tốc độ động cơ.
4S5: Nút Start, khởi động hệ thống.
4S6: Nút Stop, dừng hệ thống.
4S7: Nút Reset_Faul, nút xóa lỗi hệ thống thủ công.

2.3.5. Mạch điều khiển (Control Circuit)

Hình 8. Sơ đồ đấu dây mạch điều khiển

Các phần tử của mạch cấp nguồn:

5K2, 5K3, 5K5, 5K7: Các cuộn hút của relay ở ngõ ra PLC.
4H4, 4H6, 4H8: Đèn báo chạy, đèn báo dừng, đèn báo lỗi.

2.4. Thiết lập và chạy thông số trong VFD

Để có thể điều khiển động cơ chạy theo yêu cầu bài toán thì chúng ta cần thiết lập trên biến tần các chức năng cần thiết:

Cài đặt các thông số cần thiết của động cơ như: điện áp đầu vào, tần số, loại động cơ, dòng điện,…phải được nhập vào VFD trong khi vận hành.
Cài đặt chế độ hoạt động của biến tần.

Sau khi cài đặt các thông số cần thiết thì bắt đầu vận hành thử biến tần để được cung cấp đầy đủ thông tin về đầu vào, đầu ra tương tự và số:

Thông tin đầu vào số của lệnh bắt đầu và lệnh chọn tốc độ.
Thông tin đầu vào tương tự như đầu vào tốc độ 1 và đầu vào tốc độ 2.
Thông tin đầu ra tương tự như tần số động cơ hiện tại.

2.5. Chương trình trên PLC

2.5.1. Danh sách Input/Output

2.5.2. Network 1

Trong Network 1 này, dùng để kiểm tra xem hệ thống có sẵn sàng làm việc chưa, các thiết lập trên VFD cũng như nguồn đã được cấp đầy đủ và an toàn thì nhấn nút “Safety” thì “Ready_To_Start” được đặt lên 1 tức hệ thống đã sẵn sàng làm việc.

2.5.3. Network 2

Trong Network 2 này, khi các điều kiện ở Network 1 thỏa mãn thì nhấn nút “Start” cho hệ thống bắt đầu hoạt động lúc này “Drive_Do” được đặt lên 1 cho đến khi gặp sự cố “Orror” thì hệ thống mới dừng lại. Đồng thời khi nhấn “Start” thì hệ thống sẽ tự động đặt lại “Drive_Stop” (nếu chúng ta muốn hệ thống hoạt động lại sau khi nhấn “Stop”).

2.5.4. Network 3

Trong Network 3 này, khi nhấn “Stop” thì “Drive_Do” sẽ tự động được đặt lại, đồng thời “Drive_Stop” sẽ được đặt lên mức 1 để dừng hệ thống ngay lập tức.

2.5.5. Network 4

Trong Network 4 này, chỉ là một điều kiện cho hệ thống hoạt động an toàn hơn, tức khi “Drive_Do” được đặt lên 1, do bất cứ điều kiện nào mà VFD lỗi thì với thời gian đặt trước ở timer “Run_FB_Timer” thì hệ thống sẽ đặt lại “Drive_Do” và thiết lập lỗi cho hệ thống bằng cách đặt “Orror” lên 1. Đồng thời toàn bộ hệ thống cũng sẽ dừng hoạt động theo.

Lỗi này có thể xác nhận từ SCADA và giải quyết lỗi từ bên ngoài.

2.5.6. Network 5

Trong Network 5 này, dùng để báo lỗi khi động cơ chạy quá tải do tín hiệu từ VFD trả về, khi động cơ bị quá tải thì “Drive_Do” được đặt lại và lỗi hệ thống được thiết lập bằng cách đặt “Orror” lên 1, làm dừng toàn bộ hệ thống.

Lỗi này có thể xác nhận từ SCADA và giải quyết lỗi từ bên ngoài.

2.5.7. Network 6

Trong Network 6 này, đây là lựa chọn đầu ra số nếu không nhấn “Speed_Selection” thì hệ thống sẽ không kích hoạt bit lựa chọn tốc độ trên SCADA, đồng thời hệ thống vẫn chạy theo tốc độ mà ta đặt lúc ban đầu mà không thay đổi tốc độ khi bơm. Nếu nhấn “Speed_Selection” thì hệ thống sẽ kích hoạt biết lựa chọn tốc độ điều khiển trên SCADA.

2.5.8. Network 7

Trong Network 7 này, dùng để khắc phục lỗi hệ thống thủ công, khi nhấn “Reset_Faul” thì bit “Orror” sẽ được đặt lại lúc này hệ thống trở lại bình thường.

2.6. Thiết kế SCADA

2.6.1. Trạng thái ban đầu

Hình 9. Trạng thái động cơ lúc ban đầu

Đây là trạng thái bình thường của động cơ. Không có lỗi cũng như bit Ready cũng ở trạng thái bình thường. Và động cơ đang chạy theo chế độ Local tức không thay đổi tốc độ động cơ.

2.6.2. Trạng thái chạy

Hình 10. Trạng thái động cơ đang hoạt động

Trạng thái này cho thấy bit Ready sẵn sàng và động cơ đang chạy mà không có bất kỳ lỗi nào. Đồng thời động cơ đang chạy theo chế độ thay đổi tốc độ trên SCADA . Tốc độ đặt, tốc độ hiện tại và dòng điện đều được hiển thị để giám sát hoạt động của động cơ.

2.6.3. Trạng thái lỗi

Hình 11. Trạng thái động cơ đang bị lỗi

Trạng thái này cho thấy bit Error đang ở mức cao, đồng thời động cơ đang báo lỗi.