Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu ứng dụng lập trình PLC tự động đóng máy biến áp dự phòng

NGUYỄN NGỌC QUANGNGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LẬP TRÌNH PLC TỰ ĐỘNG ĐÓNG MÁY BIẾN ÁP DỰ PHÒNG TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số : 6052020

NGUYỄN NGỌC QUANG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LẬP TRÌNH PLC TỰ ĐỘNG ĐÓNG MÁY BIẾN ÁP DỰ PHÒNG TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

Mã số : 60520202

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên – 2014

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊNTRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Cán bộ HDKH : TS Nguyễn Hiền Trung

Phản biện 1 : TS Ngô Đức Minh

Phản biện 2 : PGS.TS Lại Khắc Lãi

Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn,

Họp tại: Phòng cao học số 201, nhà A8 Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.

Vào 15 giờ 30 phút ngày 18 tháng 4 năm 2014.

Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên

và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Tự động đóng dự phòng (TĐD) là một trong những biện pháphữu hiệu để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện của hệ thống điện Sơ

đồ TĐD rất đa dạng, tuy nhiên với bất cứ loại sơ đồ nào cũng phảiđảm bảo yêu cầu là tác động nhanh và độ tin cậy Hiện tại, trongchương trình thí nghiệm của sinh viên chuyên ngành Hệ thống điệntrường đại học Kỹ thuật Công nghiệp vẫn đang thí nghiệm bài Tựđộng đóng máy biến áp dự phòng với đa số các thiết bị là của Liên Xô(cũ), trong quá trình vận hành cũng bộc lộ ít nhiều các nhược điểmtrong đó có vấn đề về độ tin cậy

Ở Việt Nam, việc ứng dụng lập trình PLC vào tự động hóa hệthống điện còn nhiều hạn chế Với mong muốn ứng dụng công nghệmới thay thế các thiết bị và công nghệ cũ, nâng cao độ tin cậy củamạch tự động đóng máy biến áp dự phòng, nên tác giả đã lựa chọn

đề tài “Nghiên cứu ứng dụng lập trình PLC tự động đóng máy biến

áp dự phòng” để làm vấn đề nghiên cứu cho luận văn của mình

2 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài này đặt mục tiêu chính là nghiên cứu ứng dụng PLC

S7-200 CPU 224 của Siemens để thiết kế bộ điều khiển tự động đóngmáy biến áp dự phòng tại phòng thí nghiệm trường đại học kỹ thuậtcông nghiệp Các mục tiêu cụ thể gồm:

 Tìm hiểu hiện trạng bài thí nghiệm tự động đóng máy biến áp

dự phòng tại trường đại học kỹ thuật công nghiệp

 Nghiên cứu bộ điều khiển lôgic S7-200 CPU 224 của Siemens

 Nghiên cứu phần mềm lập trình STEP 7 – Micro/WIN

 Đề xuất phương án cải tạo sử dụng S7-200 CPU 224

 Lập chương trình điều khiển để thiết kế mạch điều khiển tựđộng đóng máy biến áp dự phòng

 Thiết kế tủ điều khiển, đấu nối máy tính - PLC – tủ điều khiển,chạy chương trình, kiểm tra, hiệu chỉnh lại kết quả.

3 Phương pháp nghiên cứu

 Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống các

công trình nghiên cứu được công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bàibáo, tạp chí, sách chuyên ngành

 Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu mạch tự động đóng máy

biến áp dự phòng hiện có tại phòng thí nghiệm; Nghiên cứu bộ điềukhiển lôgic S7-200 CPU 224 của Siemens cũng như phần mềm lậptrình điều khiển Thực nghiệm trên thiết bị thực để từ đó hiệu chỉnhlại chương trình, thiết bị cho phù hợp

 Thực thi thành công bộ thí nghiệm khẳng định ưu việt của

mô hình mới; Các kết quả thí nghiệm cho thấy bộ điều khiển mớilàm việc tin cậy, chính xác hơn so với mô hình đã có

5 Cấu trúc của luận văn

Nội dung của luận văn được chia thành 4 chương:

Chương 1 Hiện trạng tự động đóng Máy biến áp dự phòng tại trường Đại học kỹ thuật công nghiệp

Chương 2 Tổng quan về bộ điều khiển Logic khả trình- PLC

Chương 3 Lập trình PLC s7-200.

Chương 4 Đề xuất phương án sử dụng PLC s7-200 cpu 224 thiết

kế bộ điều khiển tự động Máy biến áp dự phòng.

Các kết luận và kiến nghị.

Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến

thầy giáo TS Nguyễn Hiền Trung – người đã hướng dẫn tận tình

và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này

Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện –Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến vàtạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chânthành cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật CôngNghiệp đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôihoàn thành khóa học

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 2 năm 2014

Người thực hiện

Nguyễn Ngọc Quang

1 Chương 1 HIỆN TRẠNG MẠCH TỰ ĐỘNG ĐÓNG MÁY BIẾN ÁP DỰ PHÒNG TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ

THUẬT CÔNG NGHIỆP 1.1 Các yêu cầu cơ bản đối với thiết bị TĐD

1.2 Giới thiệu mạch tự động đóng máy biến áp dự phòng tại phòng thí nghiệm trường đại học kỹ thuật công nghiệp [7].

1.3 Một số nguyên tắc thực hiện trong sơ đồ TĐD

1.4 Xác định một số tham số của mạch TĐD

1.4.1 Thời gian của rơle ThG2 và ThG4

2 1.4.2 Xác định thời gian mất điện lớn nhất

1.4.3 Thời gian của rơle ThG3 và ThG5

1.5 Bài thí nghiệm tự động đóng máy biến áp dự phòng 1.5.1 Thiết bị phục vụ bài thí nghiệm

bảo vệ cho máy biến áp

-Cấp chọn lọc thời gian tác động t 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5Tổng thời gian mất điện 2,4 3,4 4,5 0,4 0,35 0,45

5

6 (Nguồn: Báo cáo thí nghiệm của sinh viên)

1.6 Kết luận chương 1

Từ bài thí nghiệm trên ta nhận thấy được hiện trạng của toàn

bộ thiết bị bảo vệ đóng cắt máy biến áp dự phòng còn nhiều hạn chế.Như tính linh hoạt trong xử lý đóng cắt chưa cao Thiết bị cồng kềnh

và cũ, không phù hợp với điều kiện mới, đó là gọn nhẹ, đảm bảođóng cắt chắc chắn máy biến áp, an toàn cho người và thiết bị khivận hành Xuất phát từ lý do trên ta đi nghiên cứu khả năng ứngdụng của PLC vào hệ thống đóng dự phòng cho máy biến áp, cũngnhư khả năng vận hành một cách linh hoạt hiệu quả các thiết bị hiện

có tại phòng thí nghiệm trường đại học kỹ thuật công nghiệp

8 Chương 2 TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC

KHẢ TRÌNH - PLC 2.1 Giới thiệu về PLC

PLC được phát triển từ những năm 1968 -1970 PLC cho phépthực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển lôgic thông qua mộtngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện mộtloạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhânkích thích (đầu vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễnhư thời gian định thì hay các sự kiện được đếm PLC dùng để thaythế các mạch rơle trong thực tế PLC hoạt động theo phương thứcquét các trạng thái đầu ra và đầu vào

Hình 8.2 Điều khiển sử dụng PLC

2.1 Quá trình phát triển của kỹ thuật điều khiển lôgic

2.1.1 Hệ thống điều khiển dùng rơle điện

2.1.2 Hệ thống điều khiển dùng PLC

2.1.3 Các chủng loại PLC

2.2 Ưu thế và hạn chế của hệ thống điều khiển dùng PLC

SF Màu đỏ Báo lỗi hệ thống

RUN Màu xanh Báo PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện

chương trình được nạpSTOP Màu vàng Báo PLC đang ở chế độ dừng làm việc

2.4.2 Kết nối điều khiển

Hình 2.8 Sơ đồ đấu dây PLC Cấp nguồn:

Hình 2.9 Vị trí cấp nguồn cho PLCChú ý: phân biệt loại cấp nguồn nuôi cho PLC

+ Loại DC nguồn nuôi có kí hiệu là M, L+

+ Loại AC nguồn nuôi có kí hiệu là N, L1

2.5 Giới thiệu các mô đun mở rộng

2.5.1 Mô đun EM 222 DC

2.5.2 Mô đun EM 223 DC/DC

2.5.3 Mô đun EM 223 DC/Relay

2.5.4 Mô đun tương tự EM 235

2.5.5 Cách đấu nối các mô đun mở rộng cho S7-200 2.6 Truyền thông giữa PC và PLC

Hình 2.17 Cáp kết nối giữa PLC và máy tính

Cổng truyền thông

Hình 2.18 Cổng truyền thông

1 2 3 4 5

6 7 8 9

số lượng đầu vào/ra nhiều hơn.

PLC S7–200 CPU 224 DC/DC/DC sẽ được sử dụng trong nghiêncứu này Đồng thời 2 mô đun mở rộng có liên quan đến bàn thí nghiệm là

EM 222 DC và EM 235 cũng sẽ được quan tâm

1

9 Chương 3 LẬP TRÌNH PLC S7-200

3.1 Ngôn ngữ lập trình cho S7-200

Lập trình cho S7 200 và các PLC khác của hãng Siemens dựatrên 3 phương pháp cơ bản:

- Phương pháp hình thang (Ladder logic - LAD)

- Phương pháp khối hàm (Function Block Diagram - FBD)

- Phương pháp liệt kê câu lệnh (Statement List - STL)

3.2.2 Vòng quét (thực hiện chương trình) và cấu trúc của một chương trình

3.3 Sử dụng phần mềm STEP 7- Micro/WIN cho PLC S7-200 3.3.1 Thiết bị lập trình

3.3.2 Giao diện làm việc

3.3.4 Các khối sử dụng trong giao diện lập trình 3.3.4.1 Khối Programe Block

3.3.4.2 Khối Data Block

3.3.4.3 Khối System Block

3.3.4.4 Khối Symbol Table

3.3.4.5 Khối Status Chart

3.3.4.6 Khối Cross Reference

Tiếp điểm thường mở sẽ

đóng khi bit = 1

bit:

I,Q,M,V,SM,T,C,S,L

Tiếp điểm thường đóng sẽ

mở tức thời khi bit = 1 bit: I Bool

Đảo giá trị của bít đầu tiên

trong ngăn xếp (đảo trạng

thái của đầu ra)

Bit đầu tiên trong ngăn xếp

có giá trị bằng 1

trong khoảng thời gian

bằng thời gian của một

vòng quét khi phát hiện

sườn lên của tín hiệu đầu

vào

bit:

I,Q,M,V,SM,T,C,S,L

Bool

Bit đầu tiên trong ngăn xếp

có giá trị bằng 1

trong khoảng thời gian

bằng thời gian của một

vòng quét khi phát hiện

sườn xuống của tín hiệu

đầu vào

bit:

I,Q,M,V,SM,T,C,S,L

n:IB,QB,MB,VB,SMB,SB,

n:IB,QB,MB,VB,SMB,

SB,LB,AC,*VD,*AC,*LD, Constand

Bool

3.4.2 Một số lệnh tiếp điểm đặc biệt

3.4.3 Nhóm lệnh so sánh

3.4.4 Tập lệnh tạo thời gian

3.4.5 Tập bộ đếm

3.4.6 Tập lệnh toán học

3.4.7 Hàm chuyển dữ liệu - MOV

3.4.8 Tập lệnh làm việc với bảng dữ liệu

3.4.9 Tập lệnh phép toán biến đổi logic

3.4.10 Tập lệnh biến đổi kiểu dữ liệu

3.4.11 Tập lệnh làm việc với thời gian thực

3.4.12 Tập lệnh điều khiển chương trình

3.4.13 Lệnh quay/dịch thanh ghi

3.5 Kết luận chương 3

Qua nghiên cứu chương 3 ta có cái nhìn cụ thể hơn về PLC

và ta sẽ sử dụng phần lập trình với một số lệnh cơ bản Đề cập đếncách sử dụng các lệnh trong phần mềm Để đơn giản và dễ hiềutrong nghiên cứu này ta sử dụng một số lệch cơ bản như lệnh tiếpđiểm và lệnh về thời gian Timer để tiến hành viết chương trìnhđiều khiển cho mạch tự động đóng máy biến áp dự phòng sử dụngPLC S7-200 CPU 224 DC/DC/DC mà sẽ trình bày trong chươngtiếp theo

10 Chương 4 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN SỬ DỤNG PLC S7-200 CPU 224 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐÓNG MÁY BIẾN ÁP DỰ PHÒNG 4.1 Các thiết bị cần cho việc thiết kế bộ điều khiển tự động đóng cắt máy biến áp dự phòng bằng PLC S7-200 CPU 224

DC/DC/DC

Bảng 4.2 Các thiết bị dùng cho thí nghiệm

STT Tên thiết bị có trong thínghiệm Thông số kĩ thuật

Đơnvịtính

sốlượng

(2NO.2NC) Loại cài Bộ 14

10 Cầu xoay chuyển

4.2 Sơ đồ đấu dây điều khiển:

.

.

.

4.3 Quá trình đấu nối thực tế

Việc viết chương trình điều khiển vận hành đóng cắt từ MBA2 sang MBA1 là tương tự

4.5 Các thao tác lấy kết quả thí nghiệm

Ta tiến hành kết nối bàn PLC và máy tính thông qua cáp kếtnối chuyển đổi tín hiệu USB-PPI của Siemens Cách nạp chươngtrình từ máy tính vào PLC và ngược lại được thực hiện theo các bướcthao tác (Mục 3.3.4.7)

Tạo sự cố giả tưởng bằng cách tắt các nút tay gạt như hình 4.6

Hình 10.7 Các đầu tín hiệu vào có sử dụng công tắc gạt tạo sự cố giả

tưởng cho PLC

4.6 Kết luận chương 4

- Qua sơ đồ đi dây ở trên ta thấy các tín hiệu lấy mẫu được đưa vềPLC một cách độc lập Ở đây ta hoàn toàn kiểm soát được những tín hiệuđưa vào lần lượt là I0.0 cho đến I1.2, khi có được kết quả đưa về ta tiếnhành đặt ra những bài toán cụ thể để viết chương trình cho PLC

- Khả năng làm việc của hệ thống sẽ an toàn hơn khi ta đưathêm vào sơ đồ 2 khóa điều khiển là E1 và E2 Nó cho phép thay thếmột loạt những khóa điều khiển so với sơ đồ cũ

- Việc đấu nối và đi dây phần điều khiển sẽ đơn giản hơn

- Khi gặp sự cố cho phép hệ thống làm việc tin cậy Khôngxuất hiện tình trạng chuyển mạch không dứt khoát như sơ đồ cũ

- Cách quan sát trên PLC sẽ cho ta cái nhìn trực quan hơn vềtoàn bộ hệ thống

- Việc sử dụng mạch điều kiển 24VDC vào hệ thống sẽ an toànhơn cho người vận hành

- Tính gọn nhẹ của hệ thống dùng PLC được thể hiện rõ qua hình4.12 minh họa

- Tính ứng dụng của PLC cao trong hệ thống điện

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận

Đã thiết kế được sơ đồ và chương trình điều khiển tự độngđóng máy biến áp dự phòng ứng dụng PLC S7-200 thay thế chomạch điều khiển dùng rơle điện cơ đã có trong phòng thí nghiệm.Với chương trình điều khiển thiết kế được, luận văn đã ứng dụngphần mềm mô phỏng S7-200 Simulator để lấy trạng thái của các đầuvào ra trên PLC

Lắp ráp thành công bộ thí nghiệm khẳng định ưu thế của môhình mới; kết quả thí nghiệm trên mô hình thực tế cho thấy bộ điềukhiển làm việc tin cậy, trạng thái đầu vào ra trên PLC hoàn toàn phùhợp với kết quả mô phỏng; Hệ thống điều khiển làm việc chính xáchơn so với mô hình đã có

Với những phân tích và đánh giá trong luận văn Những kếtquả của nghiên cứu này có thể dùng để viết bài thí nghiệm cho sinhviên ngành Điện “Lập trình PLC tự động đóng máy biến áp dựphòng”

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt

[1]. A.A Fedorov & G.V S\Xerbinovxli (2000), Sách tra cứu

về cung cấp điện xí nghiệp công nghiệp – Thiết bị điện và

tự động hóa, Bản dịch của Bộ môn hệ thống điện, Tập 2,

138

[4]. Lưu Văn Long, Bùi Văn Dũng (2007), Hướng dẫn lập trình PLC S7-200 bằng máy tính, Trường kỹ thuật cơ giới cơ khí xây dựng

Việt – Xô số 1, Vĩnh Phúc

[5]. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Vân Hà (2000),

Tự động hóa với SIMATIC S7-300, Nxb Khoa học và Kỹ

[10]. SIMATIC S7-200 Data Sheet for EM 231, EM 232 and

[11]. http://www.siemenssupply.com/