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

Thiết bị điềukhiển PLC sẽ giám sát các tín hiệu vào và các tín hiệu ra theo chương trình này vàthực hiện các quy tắc điều khiển đã được lập trình Các PLC tương tự máy tính,nhưng máy tính

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN – 2014 I

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

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

Người hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Hiền Trung

Ngày giao đề tài : Ngày 14 tháng 6 năm 2013

Ngày hoàn thành luận văn : Ngày 25 tháng 2 năm 2014

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PHÒNG QUẢN LÝ ĐT

Số hóa bởi Trung tâm Học

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự hướngdẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn Kết quảnghiên cứu là trung thực và chưa từng công bố trên các tài liệu khác

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 2 năm 2014

Học viên

Nguyễn Ngọc Quang

Số hóa bởi Trung tâm Học

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trường Đại học Kỹthuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoànthành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng QLĐT sau Đại học, xin chân thành cảm ơnBan Giám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiệnthuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 2 năm 2014.

Người thực hiện

Nguyễn Ngọc Quang

Số hóa bởi Trung tâm Học

liệu tnu.edu. v n/

5 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN iii

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Phương pháp nghiên cứu 3

4 Những kết quả đạt được 3

5 Cấu trúc của luận văn 3

1 Chương 1 HIỆN TRẠNG MẠCH TỰ ĐỘNG ĐÓNG MÁY BIẾN ÁP DỰ PHÒNG TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP 4

1.1 Các yêu cầu cơ bản đối với thiết bị TĐD 4

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] 5

1.3 Một số nguyên tắc thực hiện trong sơ đồ TĐD 6

1.4 Xác định một số tham số của mạch TĐD 7

1.5 Bài thí nghiệm tự động đóng máy biến áp dự phòng 8

1.6 Kết luận chương 1 13

2 Chương 2 TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH - PLC 14

2.1 Giới thiệu về PLC 14

2.1 Quá trình phát triển của kỹ thuật điều khiển lôgic 15

2.2 Ưu thế và hạn chế của hệ thống điều khiển dùng PLC 17

2.3 Cấu hình hệ thống 19

2.4 Giới thiệu về PLC S7-200 CPU 224 DC/DC/DC 21

2.5 Giới thiệu các mô đun mở rộng 27

2.6 Truyền thông giữa PC và PLC 30

2.7 Kết luận chương 2 32

3 Chương 3 LẬP TRÌNH PLC S7-200

33 3.1 Ngôn ngữ lập trình cho S7-200 33

3.2 Nguyên tắc thực hiện chương trình 34

3.3 Sử dụng phần mềm STEP 7- Micro/WIN cho PLC S7-200 36

3.4 Một số lệnh cơ bản của S7-200 45

3.5 Kết luận chương 3 61

4 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 62

Số hóa bởi Trung tâm Học

liệu tnu.edu. v n/

6 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

62 4.2 Sơ đồ đấu dây điều khiển 63

4.3 Quá trình đấu nối thực tế 67

4.4 Lập trình điều khiển và thuyết minh chương trình điều khiển

69 4.5 Các thao tác lấy kết quả thí nghiệm 78

4.6 Kết luận chương 4 87

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

Số hóa bởi Trung tâm Học

liệu tnu.edu. v n/

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ tự động đóng máy biến áp dự phòng 11

Hình 1.2 Sơ đồ bảo vệ và đóng cắt máy biến áp 1 12

Hình 2.1 Điều khiển sử dụng PLC 14

Hình 2.2 Điều khiển sử dụng rơle điện 15

Hình 2.3 Những loại đặc trưng của thiết bị điều khiển 16

Hình 2.4 Một số hình ảnh của PLC 17

Hình 2.5 Mô tả các khối chức năng của PLC 20

Hình 2.6 Hình ảnh CPU 224 DC/DC/DC 22

Hình 2.7 Công tắc chọn chế độ làm việc 23

Hình 2.8 Sơ đồ đấu dây PLC 24

Hình 2.9 Vị trí cấp nguồn cho PLC 25

Hình 2.10 Các khí cụ vào và ra đấu nối với PLC 26

Hình 2.11 Hình ảnh minh họa các đầu vào và ra đối với các thiết bị điều khiển bằng PLC 27

Hình 2.12 Mô đun mở rộng EM 222 DC 27

Hình 2.13 Mô đun mở rộng EM 223 DC/DC 27

Hình 2.14 Mô đun mở rộng EM 223 DC/Relay 28

Hình 2.15 Mô đun tương tự EM 235 28

Hình 2.16 Đấu nối giữa PLC và mô đun mở rộng 30

Hình 2.17 Cáp kết nối giữa PLC và máy tính 31

Hình 2.18 Cổng truyền thông 31

Hình 3.1 Ngăn xếp của S7-200 34

Hình 3.4 Giao diện chương trình PLC 37

Hình 3.5 Khối Programe Block 38

Hình 3.6 Xóa hoặc đổi tên chương trình con 39

Hình 3.7 Khối Data Block 39

Hình 3.8 Khối Symbol Table 42

Hình 3.9 Khối Status Chart 42

Hình 3.10 Khối Cross Reference 43

Hình 3.11 Khối Communication 43

Hình 3.12 Giao diện khối truyền thông 44

Hình 3.13 Nạp hoặc tải chương trình giữa PLC và máy tính 45

Hình 3.14 Cấu trúc một bảng dữ liệu 53

Hình 4.1 Sơ đồ mạch đi dây điều khiển PLC 63

Hình 4.2 Sơ đồ mạch đi dây động lực có kết nối với PLC 66

Số hóa bởi Trung tâm Học

liệu tnu.edu. v n/

Hình 4.3 Mặt trước tủ và bên trong tủ điện 67

Hình 4.4 Bàn thí nghiệm PLC đang làm việc 67

Hình 4.5 Bàn thí nghiệm TĐD sử dụng PLC hoàn chỉnh 68

Hình 4.6 Các đầu tín hiệu vào có sử dụng công tắc gạt tạo sự cố giả tưởng cho PLC 78

Hình 4.7 BA1 hoạt động bình thường

79 Hình 4.8 Mô tả chuyển trạng thái làm việc của PLC từ BA1 về BA2 80

Hình 4.9 Khóa E2 cho phép làm việc của PLC trên BA2 82

Hình 4.10 Mô tả chuyển trạng thái làm việc của PLC từ BA2 về BA1 83

Hình 4.11 PLC ngừng hoạt động khi các điều kiện cung cấp nguồn cho các pha hoặc dây BA1 là không khả thi 85

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Kết quả tính tính toán của phần chuẩn bị và thí nghiệm 9

Bảng 2.1 Nguồn cung cấp cho từng loại S7-200 21

Bảng 2.2 Chỉ thị trạng thái của PLC 24

Bảng 2.3 Bảng mã cho các loại mô đun mở rộng họ S7-200 29

Bảng 4.1 Các thiết bị dùng cho thí nghiệm 62

Bảng 4.2 Các kí hiệu đầu vào và ra đấu nối với PLC 68

Kỹ thuật điều khiển lôgic khả trình PLC (Programmable Logic Control) đượcphát triển từ những năm 1968 -1970 Trong giai đoạn đầu các thiết bị khả trình yêucầu người sử dụng phải có kiến thức về kỹ thuật điện tử trình độ cao Ngày nay cácthiết bị PLC đã phát triển mạnh mẽ và có mức độ phổ cập rộng rãi.

PLC là dạng thiết bị điều khiển đặc biệt dựa trên bộ vi xử lý, sử dụng bộ nhớlập trình được để lưu trữ các lệnh và thực hiện các chức năng, chẳng hạn cho phéptính logic, lập chuỗi, định giờ, đếm, và các thuật toán để điều khiển máy và các quátrình công nghệ PLC được thiết kế cho các kỹ sư, không yêu cầu cao về kiến thứcmáy tính và ngôn ngữ máy tính Chúng được thiết kế cho các nhà kỹ thuật có thể càiđặt hoặc thay đổi chương trình Vì vậy, các nhà thiết kế PLC phải lập trình sẵn saocho chương trình điều khiển có thể truy nhập bằng cách sử dụng ngôn ngữ đơn giản(ngôn ngữ điều khiển) Thuật ngữ lôgic được sử dụng vì việc lập trình chủ yêu liênquan đến các hoạt động lôgic, ví dụ nếu có các điều kiện A và B thì C làm việc Người vận hành nhập chương trình (chuỗi lệnh) vào bộ nhớ PLC Thiết bị điềukhiển PLC sẽ giám sát các tín hiệu vào và các tín hiệu ra theo chương trình này vàthực hiện các quy tắc điều khiển đã được lập trình Các PLC tương tự máy tính,nhưng máy tính được tối ưu hoá cho các tác vụ tính toán và hiển thị, còn PLC đượcchuyên biệt cho các tác vụ điều khiển và môi trường công nghiệp Vì vậy, các PLC:

Số hóa bởi Trung tâm Học

2

Được thiết kế bền để chịu được rung động, nhiệt, ẩm và tiếng ồn

Có sẵn giao diện cho các thiết bị vào ra

Được lập trình dễ dàng với ngôn ngữ điều khiển dễ hiểu, chủ yếu giải quyếtcác phép toán lôgic và chuyển mạch

Về cơ bản chức năng của PLC cũng giống như chức năng của bộ điều khiểnthiết kế trên cơ sở các rơle, công tắc tơ hoặc trên cơ sở các khối điện tử đó là:

Thu thập các tín hiệu vào và các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến

Liên kết, ghép nối các tín hiệu theo yêu cầu điều khiển và thực hiện đóng mở các mạch phù hợp với công nghệ

Tính toán và soạn thảo các lệnh điều khiển trên cơ sở so sánh các thông tin thu thập được

Phân phát các lệnh điều khiển đến các địa chỉ thích hợp

Riêng đối với máy công cụ và người máy công nghiệp thì bộ PLC có thể liênkết với bộ điều khiển số NC hoặc CNC hình thành bộ điều khiển thích nghi Trong

hệ thống của các trung tâm gia công, mọi quy trình công nghệ đều được bộ PLCđiều khiển tập trung

Ở Việt Nam, việc ứng dụng lập trình PLC vào tự động hóa hệ thống điện cònnhiều hạn chế Với mong muốn ứng dụng công nghệ mới thay thế các thiết bị vàcông nghệ cũ, nâng cao độ tin cậy của mạch 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 đóngmáy 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 224của Siemens để thiết kế bộ điều khiển tự động đóng máy biến áp dự phòng tạiphòng thí nghiệm trường đại học kỹ thuật công 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

Số hóa bởi Trung tâm Học

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

Lập chương trình điều khiển để thiết kế mạch điều khiển tự động đóng máybiến áp dự phòng

Thiết kế tủ điều khiển, đấu nối máy tính - PLC – tủ điều khiển, chạy chươngtrình, 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: bài báo, tạp chí, sách chuyênngành

Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu mạch tự động đóng máy biến áp dự phòng

hiện có tại phòng thí nghiệm; Nghiên cứu bộ điều khiển lôgic S7-200 CPU

224 của Siemens cũng như phần mềm lập trình điều khiển Thực nghiệm trênthiết bị thực để từ đó hiệu chỉnh lại chương trình, thiết bị cho phù hợp

4 Những kết quả đạt được

Làm rò được vai trò của tự động đóng dự phòng trong hệ thống điện

Phân tích được cơ sở thiết kế mạch tự động đóng máy biến áp dự phòng ứngdụng PLC S7-200

Thiết kế được sơ đồ và chương trình điều khiển tự động đóng máy biến áp dựphòng ứng dụng PLC S7-200 thay thế cho mạch điều khiển dùng rơle điện cơ

đã có trong phòng thí nghiệm

Thực thi thành công bộ thí nghiệm khẳng định ưu việt của mô hình mới; Cáckết quả thí nghiệm cho thấy bộ điều khiển mới làm việc tin cậy, chính xác sovới mô hình đã có

5 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận văn gồm 4 chương: Chương 1trình bày hiện trạng mạch tự động đóng máy biến áp dự phòng tại phòng thí nghiệmtrường đại học kỹ thuật công nghiệp Chương 2 tìm hiểu bộ điều khiển khả trìnhPLC S7-200 Chương 3 nghiên cứu phần mềm lập trình STEP 7 – Micro/WIN choPLC Chương 4 trình bày thiết kế và triển khai lắp ráp bộ điều khiển tự động đóngmáy biến áp dự phòng sử dụng PLC S7-200 tại phòng thí nghiệm

Số hóa bởi Trung tâm Học

Để khắc phục nhược điểm nói trên người ta sử dụng các thiết bị TĐD chonhững phần tử vẫn làm việc trong chế độ bình thường nhưng vẫn chưa mang hết tải,điều này thường hợp lý về mặt kinh tế, bởi vì khi cắt một nguồn làm việc, nguồnthứ hai dưới tác động của TĐD tiếp nhận toàn bộ phụ tải (có thể bị quá tải tronggiới hạn cho phép), nhưng vấn đảm bảo cung cấp điện liên tục cho thiết bị

Hiệu quả làm việc của TĐD trong hệ thống cung cấp điện khoảng 90-95% [1]

Tự động đóng dự phòng được dùng rộng rãi trong các lưới điện và các hệ thốngnăng lượng do có sơ đồ đơn giản và tính hiệu quả cao Trong đề tài này ta chỉnghiên cứu tự động đóng dự phòng cho máy biến áp, dùng nguồn thao tác mộtchiều

1.1 Các yêu cầu cơ bản đối với thiết bị TĐD

Khi thực hiện thiết bị TĐD nguồn cung cấp hoặc các trang bị điện khác, cầntuân theo những yêu cầu sau đây:

1- Sơ đồ TĐD không được làm việc trước khi cắt máy cắt của nguồn đang làmviệc, để đề phòng đóng nguồn dự trữ trong lúc nguồn làm việc chưa bị cắt ra Thựchiện yêu cầu này cũng loại trừ khả năng đóng không đồng bộ hai nguồn cung cấp

Số hóa bởi Trung tâm Học

5

2- Thiết bị TĐD chỉ được tác động một lần Để tăng tốc độ cắt của nguồn dựphòng khi đóng nó vào ngắn mạch chưa được giải trừ, ta thường dùng cách tăng tốc

độ của bảo vệ sau TĐD

3- Khi đặt thiết bị TĐD thì ngoài bảo vệ dòng điện cực đại làm việc chính chonguồn đang làm việc ra ta phải đặt thêm bộ phận khởi động theo điện áp cực tiểu đểđảm bảo cho sơ đồ TĐD có thể tác động khi mất điện áp trên thanh cái của nguồncung cấp đang làm việc

4- Nếu ở nguồn cung cấp đang làm việc có đặt thiết bị tự động đóng lặp lại vàkhông cho phép nguồn làm việc và nguồn dự trữ làm việc song song, cần phải đặtthêm bộ khóa liên động không cho làm việc song song

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]

Hình 1.1 là sơ đồ tự động đóng máy biến áp dự phòng

Hình 1.2 là sơ đồ mạch bảo vệ và tự động đóng máy biến áp dự phòng BA1.Hình 1.3 là sơ đồ mạch bảo vệ và tự động đóng máy biến áp dự phòng BA2.Giả sử các máy cắt MC1 và K1 đang đóng, MC2 và K2 đang mở Khoá điềukhiển KĐK1 ở trạng thái đóng (KĐK1-I đóng, KĐK1-II mở, KĐK1-III đóng) Máybiến áp BA1 đang làm việc, BA2 dự phòng Nếu máy biến áp BA1 bị sự cố, bảo vệrơle tác động cắt MC1 (hoặc do nhân viên vận hành cắt máy biến áp theo yêu cầu)thanh cái TC1 mất điện, K2 mở, thanh cái TCB đang có điện, tiếp điểm phụ số 2 của

K1 mở ra Rơle ThG3 mất điện, nhưng tiếp điểm thường mở mở chậm POB chưa

mở ra Tiếp điểm phụ số 1 của K1 đóng lại, công tắc tơ U2 có điện, tiếp điểm U2-1

đóng lại, cuộn đóng CĐ2 có điện, đóng hai máy cắt MC2 lại Máy biến áp BA2 đượcđưa vào làm việc cung cấp điện cho trạm TC1 và TC2 Rơle trung gian TrG1 đảmbảo nếu xảy ra sự cố sẽ cắt máy cắt MC1 TrG2 đảm bảo đóng máy cắt MC2

Nếu máy biến áp BA2 làm việc, máy biến áp BA1 dự phòng, khi cắt hoặc sự

cố máy biến áp BA2 thì sơ đồ tác động tương tự

Số hóa bởi Trung tâm Học

- Khởi động bằng rơle điện áp cực tiểu: Nếu vì một lý do nào đó mà thanh góp

TC1 bị mất điện, thì rơle điện áp giảm RU1 và RU2 sẽ tác động làm khởi động rơlethời gian ThG2 Sau một thời gian duy trì cần thiết, tiếp điểm ThG2 đóng đưa tínhiệu đi cắt MC1 và do đó khởi động TĐD So với nguyên tắc khởi động bằng bảo

vệ rơle thì nguyên tắc này có ưu điểm là khởi động TĐD vì bất cứ lý do nào làmcho các hộ tiêu thụ nối vào thanh góp TC1 bị mất điện, kể cả trường hợp hư hỏngmáy biến áp hoặc hư hỏng đường dây nối từ nguồn đến thanh góp A

2- Đề phòng sơ đồ làm việc sai khi đứt cầu chì mạch áp

Bộ phận khởi động bằng rơle điện áp giảm áp cần được thực hiện như thế nào

để nó chỉ tác động khi mất điện mà không tác động khi đứt mạch áp Mạch thứ cấpcủa BU có đặt cầu chì bảo vệ (hình 1.1) Nếu chỉ có một rơle điện áp giảm thì khiđứt cầu chì, tiếp điểm rơle đóng lại làm khởi động thiết bị TĐD Để tránh nhượcđiểm đó người ta dùng 2 rơle điện áp giảm áp có tiếp điểm nối tiếp với nhau

3- Đề phòng sơ đồ TĐD làm việc vô ích khi không có điện ở nguồn dự trữ

Nếu mạch dự trữ không có điện thì việc khởi động TĐD là vô ích, do đó trong

sơ đồ TĐD cần có thêm bộ phận kiểm tra điện áp của nguồn dự trữ, thường dùngrơle điện áp tăng RU3 được cung cấp từ máy biến điện áp (BU2) nối với mạch dựtrữ Nếu nguồn dự trữ có điện thì rơle RU3 sẽ luôn luôn ở trong trạng thái tác động

và TĐD có thể khởi động được khi mất điện ở nguồn làm việc

4- Đề phòng sơ đồ TĐD tác động nhiều lần

Số hóa bởi Trung tâm Học

1.4.1 Thời gian của rơle ThG2 và ThG4

Khi ngắn mạch ngoài, điện áp dư trên thanh góp TC và TC2 có thể giảmxuống rất thấp làm cho các rơle điện áp RU< khởi động Muốn TĐD tránh tác độngtrong trường hợp này cần phải chọn thời gian của rơle ThG2 và ThG4 lớn hơn thờigian làm việc của bảo vệ đặt tại máy cắt MC1 và MC2:

t - cấp chọn lọc về thời gian (0,3 0,5 sec)

Thời gian của rơle ThG2 và ThG4 được chọn bằng trị số lớn hơn khi tínhtheo các biểu (1.1) và (1.2) Tuy nhiên, thời gian này càng nhỏ thì thời gian ngừngcung cấp điện cho các hộ tiêu thụ càng bé, vì vậy khi tính chọn cần phải đặt điềukiện thế nào để thời gian của rơle ThG2 và ThG4 là nhỏ nhất có thể được

1.4.2 Xác định thời gian mất điện lớn nhất

Từ khi sự cố gây mất điện máy biến áp đang làm việc BA1 đến khi có điện trởlại trên thanh cái hạ áp của trạm biến áp sau khi đã đóng máy biến áp dự phòngBA2:

Số hóa bởi Trung tâm Học

8

1.4.3 Thời gian của rơle ThG3 và ThG5

Để đảm bảo thiết bị TĐD tác động đóng máy cắt chỉ một lần, cần chọn:

Nếu thiết bị TĐD tác động đóng nguồn dự trữ vào ngắn mạch tồn tại và thiết

bị bảo vệ rơle cắt nó ra, thì rơle ThG3 và ThG5 sẽ ngăn ngừa việc đóng trở lại vàongắn mạch một lần nữa trong trường hợp thời gian của rơle ThG3 và ThG5 chọntheo (1.4) và (1.5) thoả mãn điều kiện:

trong đó:

tdt= 0,1 s - thời gian dự trữ

Thời gian đóng, cắt của mỗi thiết bị này khoảng 0,1 s

1.5 Bài thí nghiệm tự động đóng máy biến áp dự phòng

1.5.1 Thiết bị phục vụ bài thí nghiệm

Phòng thí nghiệm có một máy biến áp nhận điện áp 0,4 kV từ mạng hạ áp,nâng lên 6 kV để cấp cho các tủ đo lường, các tủ máy cắt, hai máy cắt được dùng đểcấp điện cho hai máy biến áp hợp bộ 160 – 6/0,4 kV là BA1 và BA2 Sơ đồ bố trícác thiết bị được thể hiện trên hình 1.1

Để thực hiện việc thí nghiệm “Tự động đóng máy biến áp dự phòng” ta sửdụng một số rơle trong tủ bảo vệ (hình 1.1), các rơle dùng trong mạch bảo vệ này có

sơ đồ đầu nối như hình 1.1 Máy cắt MC1 để đóng cắt điện cho máy biến áp BA1 vàmáy cắt MC2 để đóng cắt điện cho máy biến áp BA2 (hình 1.1)

Số hóa bởi Trung tâm Học

B3: Đóng nguồn thao tác cho mạch nhị thứ

B4: Đóng dao cách ly của tủ đo lường BA1 và BA2

B5: Đóng dao cách ly của máy cắt BA1 và BA2

B6: Đóng máy cắt của BA1 (hoặc BA2 tuỳ theo chế độ vận hành do giáo viênquy định)

B7: Tạo sự cố giả tưởng bằng cách đưa dòng phụ tải qua bộ tạo nguồn dònghoặc thao tác trực tiếp cắt MC1 (hoặc BA2 tuỳ theo chế độ vận hành do giáo viênquy định)

Sử dụng đồng hồ bấm giây để xác định các khoảng thời gian theo yêu cầu.B8: Sau khi thí nghiệm xong sinh viên phải thao tác đưa thiết bị ra khỏi lưới

và hoàn trả lại sơ đồ bảo vệ như cũ

Bảng 1.1 Kết quả tính tính toán của phần chuẩn bị và thí nghiệm

Các đại lượng

Số liệu cho trước Kết quả thí nghiệm

Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 1 Lần 2 Lần 3Thời gian duy trì của

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 4,4 0,4 0,35 0,5

CĐ1 CĐ2

1 13 14 1 13 14 U1- 1 3 15 16 U2- 1 3 15 16

CC1 CC2

B 2 B - 2 MC1 B +

2 B - 2 MC2 a1 b1 c1 a2 b2 c2

+ U2 + U1

B 1 5 B 1 5

6 6

8 7 8 7 ThG1 ThG3 KĐK6KĐK 5

B 1 2 A1 B1 C1 0 B + 1 2

A2 B2 C2 0 KĐK3 KĐK4 + 3 5 + 3 5

C luận văn tốt nghiệp sơ đồ tự động đóng máy biền áp dự phòng hức năng Họ và tên Ngày Ký Số bản vẽ: 4 Bản vẽ số: 2 Tỉ lệ: Thiềt kề Tr•ờng: ĐHKT Công Nghiệp

Khoa: Điện Lớp: TBM H•ớng dẫn

Số húa bởi Trung tõm Học liệu t p : / / w ht w w.lr c - tnu.edu v n/

Hình 1.1 Sơ đồ tự động đóng máy biến áp dự phòng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu t p : / / w ht w w.lr c - tnu.edu v n/

Số hóa bởi Trung tâm Học

K1-1

TH4

TG 1

MC1 RU1

Ðỏ Ðóng K1

13

Số hóa bởi Trung tâm Học

1.6 Kết luận chương 1

Từ bài thí nghiệm trên ta nhận thấy được hiện trạng của toàn bộ thiết bị bảo vệđóng cắt máy biến áp dự phòng còn nhiều hạn chế Như tính linh hoạt trong xử lýđóng cắt chưa cao Thiết bị cồng kềnh và cũ, không phù hợp với điều kiện mới, đó

là gọn nhẹ, đảm bảo đóng cắt chắc chắn máy biến áp, an toàn cho người và thiết bịkhi vận hành Xuất phát từ lý do trên ta đi nghiên cứu khả năng ứng dụng của PLCvào hệ thống đóng cắt dự phòng cho máy biến áp, cũng như khả năng vận hành mộtcách linh hoạt hiệu quả các thiết bị hiện có tại phòng thí nghiệm trường đại học kỹthuật công nghiệp

Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó hoạt động trong chế độ ON hayOFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiển lậptrình sẽ liên tục “lặp” trong chương trình do “người sử dụng lập ra” chờ tín hiệu ởđầu vào và xuất tín hiệu ở đầu ra tại các thời điểm đã lập trình.

Hình 2.1 Điều khiển sử dụng PLC

Số hóa bởi Trung tâm Học

15

2.1 Quá trình phát triển của kỹ thuật điều khiển lôgic

2.1.1 Hệ thống điều khiển dùng rơle điện

Sự bắt đầu về cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật đặc biệt vào những năm 60

và 70, những máy móc tự động được điều khiển bằng những rơle điện từ như các bộđịnh thời, tiếp điểm, bộ đếm, rơle điện từ Những thiết bị này được liên kết với nhau

để trở thành một hệ thống hoàn chỉnh bằng vô số các dây điện bố trí chằng chịt bêntrong panel điện (tủ điều khiển)

Như vậy, với một hệ thống có nhiều trạm làm việc và nhiều tín hiệu vào/ra thì

tủ điều khiển rất lớn Điều đó sẽ dẩn đến hệ thống cồng kềnh, sửa chữa khi hỏng rấtphức tạp và khó khăn Hơn nữa, các rơle tiếp điểm nếu có sự thay đổi yêu cầu điềukhiển thì bắt buộc phải thiết kế lại từ đầu

Hình 2.2 Điều khiển sử dụng rơle điện

2.1.2 Hệ thống điều khiển dùng PLC

Với những khó khăn và phức tạp khi thiết kế hệ thống dùng rơle điện, vàonhững năm 80, người ta chế tạo ra các bộ điều khiển có lập trình nhằm nâng cao độtin cậy, ổn định, đáp ứng hệ thống làm việc trong môi trường công nghiệp khắc

Số hóa bởi Trung tâm Học

Số hóa bởi Trung tâm Học

Rơle, linh kiện điện tử, mạch điện

Hình 2.3 Những loại đặc trưng của thiết bị điều khiển

2.1.3 Các chủng loại PLC

Một số PLC được sử dụng trên thị trường Việt Nam:

- Mỹ: Allen Bradley, General Electric, Square D, Texas Instruments, CutterHammer,…

- Đức: Siemens, Boost, Festo…

- Hàn Quốc: LG

- Nhật: Mitsubishi, Omron, Panasonic, Fanuc, Mashushita, Fuzi, Koyo,…vànhiều chủng loại khác Chế tạo ra để đáp ứng những yêu cầu điều khiển đơn giản.

Hình 2.4 Một số hình ảnh của PLC

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

2.2.1 Ưu thế

- Giảm 80% số lượng dây nối

- Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp

- Có chức năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho công tác sửa chữa được nhanhchóng và dễ dàng

- Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình (máy tính, mànhình) mà không cần thay đổi phần cứng nếu không có yêu cầu thêm bớt các thiết bịvào, ra

- Số lượng rơle và timer ít hơn nhiều so với hệ điều khiển cổ điển

- Số lượng tiếp điểm trong chương trình sử dụng không hạn chế

- Thời gian hoàn thành một chu trình điều khiển rất nhanh (vài ms) dẫn đếntăng cao tốc độ sản xuất

- Chương trình điều khiển có thể in ra giấy chỉ trong vài phút giúp thuận tiệncho vấn đề bảo trì và sửa chữa hệ thống.

- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học

- Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa

- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp

- Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng,các Mô đun mở rộng

- Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ

- Giá cả có thể cạnh tranh được

- Có thể nhân đôi các ứng dụng nhanh chóng và ít tốn kém Các thiết kế đầutiên là nhằm thay thế cho các phần cứng rơle dây nối và các lôgic thời gian Tuynhiên, bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dể dàng choPLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng như giá cả … Chính điều này đã gây ra sựquan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp Các tập lệnh nhanhchóng đi từ các lệnh lôgic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch Sau

đó là các chức năng làm toán trên các máy lớn Sự phát triển các máy tính dẫn đếncác bộ PLC có dung lượng lớn, số lượng đầu vào/ra nhiều hơn

2.2.2 Hạn chế

- Giá thành (tùy theo yêu cầu) mà ta cung cấp thiết bị PLC một cách phù hợp

- Các kỹ sư phải biết về lập trình để thiết kế chương trình cho PLC hoạt động

2.2.3 Các ứng dụng của PLC

Dễ dàng ứng dụng trong các nhà máy công nghiệp như điều khiển các quátrình sản xuất: giấy, xi măng, nước giải khát, linh kiện điện tử, xe hơi, bao bì, đónggói,…

- Rửa xe ôtô tự động

- Thiết bị khai thác.

- Giám sát hệ thống, an toàn nhà xưởng

- Hệ thống báo động

- Điều khiển thang máy

- Điều khiển động cơ

- Chiếu sáng

- Cửa công nghiệp, tự động và còn nhiều hệ thống điều khiển tự động khác

2.3 Cấu hình hệ thống

2.3.1 Cấu trúc phần cứng

Cấu trúc phần cứng của một PLC gồm có các mô đun sau:

- Mô đun nguồn

- Mô đun đầu vào

- Mô đun đầu ra

- Mô đun xử lý trung tâm (CPU)

- Mô đun bộ nhớ

- Mô đun quản lý ghép nối vào ra

2.3.2 Chức năng của các khối

- Khối mô đun đầu vào có chức năng thu nhận các dữ liệu số, tương tự vàchuyển thành các tín hiệu cấp vào CPU Khối CPU quyết định và thực hiện chươngtrình điều khiển thông qua chương trình chứa trong bộ nhớ Khối mô đun đầu rachuyển các tín hiệu điều khiển từ CPU thành dữ liệu tương tự, số thực hiện điềukhiển đối tượng

- Bộ nguồn: Biến đổi từ nguồn cấp bên ngoài vào để cung cấp cho sự hoạtđộng của PLC

- Bộ nhớ, tùy theo yêu cầu của người dùng có thể chọn các bộ nhớ khác nhau:

Bộ nhớ ROM: là loại bộ nhớ không thay đổi được, bộ nhớ này chỉ nạp đượcmột lần nên ít được sử dụng phổ biến như các loại bộ nhớ khác.

Bộ nhớ RAM: là loại bộ nhớ có thể thay đổi được và dùng để chứa cácchương trình ứng dụng cũng như dữ liệu, dữ liệu chứa trong RAM sẽ bị mấtkhi mất điện Tuy nhiên, điều này có thể khắc phục bằng cách dùng Pin

Bộ nhớ EPROM: Giống như ROM, nguồn nuôi cho EPROM không cần dùngPin, tuy nhiên nội dung chứa trong nó có thể xoá bằng cách chiếu tia cực tímvào một cửa sổ nhỏ trên EPROM và sau đó nạp lại nội dung bằng máy nạp

Bộ nhớ EEPROM: kết hợp hai ưu điểm của RAM và EPROM, loại này cóthể xóa và nạp bằng tín hiệu điện Tuy nhiên số lần nạp cũng có giới hạn

- Khối quản lý ghép nối: Dùng để ghép nối giữa PLC với các thiết bị bên ngoài như máy tính, thiết bị lập trình, bảng vận hành, mạng truyền thông côngnghiệp

Thiết bịlập trình

Bộ nhớ

Giao diệnvào Bộ xử lý(CPU) Giao diệnra

Nguồncung cấp

Hình 2.5 Mô tả các khối chức năng của PLC

2.3.2.1 Bộ điều khiển lôgic khả trình

Do công nghệ ngày càng cao nên việc lập trình PLC cũng ngày càng thay đổi,chủ yếu là sự thay đổi về cấu hình hệ thống mà quan trọng là bộ xử lý trung tâm

(CPU) Sự thay đổi này nhằm cải thiện một số tính năng, số lệnh, bộ nhớ, số đầuvào/ ra, tốc độ quét, … Đây là nguyên nhân của sự xuất hiện rất nhiều loại PLC.PLC của Siemens hiện có các loại sau: S7- 200, S7- 300, S7-400.

Riêng S7- 200 có các loại CPU sau: CPU 210, CPU 214, CPU 221, CPU 222,CPU 224, CPU 226, … Mới nhất có CPU 224 xp, CPU 226 xp có tích hợp analog

Bảng 2.1 Nguồn cung cấp cho từng loại S7-200

DC/Relay 85-264 VAC, 47-63 Hz 14 x 24 VDC, 2x Analog 10 x Relay, 1 xAnalog 2

224XPsi

10 x 24 VDC (current sinking),1

2.4 Giới thiệu về PLC S7-200 CPU 224 DC/DC/DC

2.4.1 Đặc tính kỹ thuật

PLC S7 thuộc họ Simatic do hãng Siemens sản xuất Đây là loại PLC hỗn hợpvừa đơn khối vừa đa khối Cấu tạo cơ bản của loại PLC này là một đơn vị cơ bảnsau đó có thể ghép thêm các mô đun mở rộng về phía bên phải Có các mô đun mởrộng tiêu chuẩn Những mô đun ngoài này bao gồm những đơn vị chức năng mà cóthể tổ hợp lại cho phù hợp với những nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể

Hình 2.6 Hình ảnh CPU 224 DC/DC/DC

Đặc tính kỹ thuật của CPU S7-200 như sau:

- Nguồn cung cấp: 24 VDC đối với loại DC/DC/DC

- Điện áp đầu vào/ra: DC 24V

- Gồm 14 đầu vào và 10 đầu ra Ngoài ra có thể thêm 7 mô đun mở rộng

- Dòng điện đầu ra 0,7A với loại DC/DC/DC và 2A với loại AC/DC/Relay

- Dung lượng bộ nhớ 4096 word chương trình và 2560 word dữ liệu

- Các chế độ làm việc: có 3 chế độ làm việc

+ RUN: Chế độ PLC thực hiện chương trình trong bộ nhớ

+ STOP: Cưỡng bức PLC dừng chương trình đang chạy và chuyển sang chế

độ STOP PLC sẽ tự động chuyển chương trình từ RUN sang STOP nếu có sự cốhoặc chương trình gặp lệnh STOP

+ TERM: Cho phép máy lập trình tự quyết định chế độ hoạt động cho PLC:RUN hoặc STOP

Hình 2.7 Công tắc chọn chế độ làm việc

- Cổng truyền thông: S7-200 dùng cổng truyền thông nối tiếp RS485 để phục

vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với trạm PLC khác Để ghép nối vớimáy lập trình PG702 hoặc các máy lập trình khác trong họ PG7xx, có thể sử dụngcáp nối PPI đi kèm với lập trình

- Số lượng timer: 256 chia làm 3 loại với độ phân giải khác nhau: 4 timerlms,16 timer 10ms và 236 timer 100ms

- Số lượng bộ đếm (counter): 256 chia làm 3 loại bộ đếm tiến, bộ đếm lùi và

bộ đếm vừa đếm tiến vừa đếm lùi

- 256 bit nhớ đặc biệt dùng để thông báo trạng thái và đặt chế độ làm việc

- Có đầu nối đất bảo vệ (Protective Earth Terminal) để tránh điện giật

- Đầu nối nguồn cấp DC ra từ PLC (DC Power Supply Output Terminal)

- Điện áp ra chuẩn là DC 24V với các dòng định mức là 0,3A có thể đượccung cấp cho các đầu vào số DC.

+ Các đèn LED chỉ thị trạng thái của PLC (PC Status Indicators)

Bảng 2.2 Chỉ thị trạng thái của 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

- Các đèn chỉ thị trạng thái đầu vào (Input Indicator) Đèn LED trong nhómnày sẽ sáng khi đầu vào tương ứng lên ON

- Các đèn chỉ thị trạng thái đầu ra (Output Indicator) Các đèn LED này sẽsáng khi rơle tương ứng được bật

- Kích thước: Rộng x Cao x Sâu : 120 x 80 x 62

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 PLC

Chú 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

Đầu vào: các đầu vào thường dùng là

- Nút nhấn, công tắc gạt, ba chấu,…

- Các loại cảm biến: quang điện, tiệm cận, điện dung, từ, kim loại, siêu âm,cảm biến màu sắc, cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ …

+ Sensor tiệm cận (approximate sensor) có tác dụng phát hiện các vật kim loại

ở gần: khi đưa một vật kim loại đến gần, đầu ra (OUT) sẽ có điện áp +24V

+ Sensor hồng ngoại (infrared sensor): đây là loại sensor phản xạ Nó có một

đầu phát ra và một đầu thu hồng ngoại có trạng thái bình thường, đầu ra có điện áp

+24V Khi có một vật ở gần, các tia hồng ngoại từ đầu phát được phản xạ tới đầu thu, đầu ra có điện áp 0V

- Công tắc hành trình (loại có tay gạt, loại tiếp điểm tác động vuông góc), côngtắc thường, rơle trung gian, sensor nhiệt độ, sensor báo khói…

Giả sử cần kết nối 1 công tắc, hoặc 1 nút nhấn cho đầu vào PLC

+ Chân 1M, 2M nối chung với chân M

+ Chân L+ nối vào 1 đầu của tiếp điểm, đầu còn lại của tiếp điểm nối vào cácđầu vào I trên PLC.

Đầu ra:

Hình 2.10 Các khí cụ vào và ra đấu nối với PLC

+ Kết nối PLC điều khiển đèn Light, điều khiển rơle, các cơ cấu chấp hành,…+ Chân 1L, 2L nối vào nguồn dương

+ Từng đầu ra từ PLC nối vào 1 đầu của tải, đầu còn lại của tải nối vào nguồn âm

Các thiết bị được điều khiển ở đầu ra:

- Động cơ DC, động cơ AC 1 pha và 3 pha

- Van khí nén (Loại 12 VDC hoặc 24 hoặc loại 220 VAC ), van thuỷ lực, van solenoid

- Đèn báo, đèn chiếu sáng

- Chuông báo giờ, chuông báo động sự cố

- Biến tần (1 pha, 3pha )