Thiết kế tủ điều khiển tiết kiệm năng lượng điện cho hệ thống chiếu sáng đèn đường bóng halogen

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP VŨ TRỌNG HIỆP THIẾT KẾ TỦ ĐIỀU KHIỂN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CHO HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG ĐÈN ĐƯỜNG BÓNG HALOGEN LUẬN VĂN THẠC SỸ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

VŨ TRỌNG HIỆP

THIẾT KẾ TỦ ĐIỀU KHIỂN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG ĐIỆN

CHO HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG ĐÈN ĐƯỜNG BÓNG HALOGEN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN

Thái Nguyên - năm 2020

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Nguyễn Hữu Công

2 TS Vũ Ngọc Kiên

Thái Nguyên – năm 2020

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Vũ Trọng Hiệp

Đề tài luận văn: Thiết kế tủ điều khiển tiết kiệm năng lượng điện cho hệ thống chiếu

- Sửa sai sót về thuật ngữ, lỗi chính tả, format, in ấn

- Chỉnh sửa lại các hình vẽ

Thái Nguyên,ngày 26 tháng 10 năm 2020

Cán bộ hướng dẫn 1 Cán bộ hướng dẫn 2 Tác giả luận văn

PGS.TS Nguyễn Hữu Công TS Vũ Ngọc Kiên Vũ Trọng Hiệp

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS Nguyễn Như Hiển

LỜI CAM ĐOAN

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

Thái Nguyên, ngày 05 tháng 07 năm 2020

Học viên

Vũ Trọng Hiệp

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 3

3 Phương pháp nghiên cứu 3

4 Những kết quả đạt được 3

5 Cấu trúc của luận văn 3

CHƯƠNG 1: CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM ĐIỆN CHIẾU SÁNG ĐÈN ĐƯỜNG 4

1.1 Tổng quan về các loại đèn đường 4

1.1.1 Cấu tạo 4

1.1.2 Các loại đèn cao áp 4

1.1.3 Nguyên lý hoạt động đèn cao áp 6

1.1.4 Ứng dụng đèn cao áp 7

1.1.5 Tiêu chuẩn lựa chọn bóng đèn cao áp 7

1.1.5.1 Khả năng điều chỉnh độ sáng 7

1.1.5.2 Thông số bóng đèn 7

1.1.5.3 Vị trí lắp đặt 7

1.1.5.4 Tuổi thọ đèn cao áp 8

1.1.6 Ưu nhược điểm của đèn cao áp 8

1.1.6.1 Ưu điểm 8

1.1.6.2 Nhược điểm 8

1.1.7 Các tính năng của đèn cao áp 8

1.2 Một số giải pháp điều khiển tiết kiệm năng lượng đèn đường 9

1.3 Đề xuất giải pháp thiết kế 10

1.4 Kết luận chương 1 13

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH LÝ THUYẾT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG ĐÈN ĐƯỜNG 14

2.1 Tổng quan về lý thuyết điều khiển kinh điển PID 14

2.2 Tìm hiểu bộ điều khiển PID trong PLC S7 1200 18

2.2.1 Giới thiệu PLC S7 1200 18

2.2.1.1 Tổng quan 18

2.2.1.2 Cấu trúc phần cứng PLC S7 1200 22

2.2.1.3 Các vùng nhớ hay sử dụng 26

2.2.2 Bộ điều khiển PID trong PLC S7 1200 27

2.2.3 Phương pháp khai báo và cài đặt bộ điều khiển PID_Compact 32

2.3 Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống 40

2.4 Xây dựng thuật toán điều khiển 42

2.5 Kết luận chương 2 47

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG ĐÈN ĐƯỜNG 48

3.1 Thiết kế mạch động lực bộ biến đổi AC/AC 48

3.2 Thiết kế mạch điều khiển cho bộ biến đổi AC/AC 50

3.2.1 Yêu cầu chung của mạch điều khiển 50

3.2.2 Mạch điều khiển bộ biến đổi xoay chiều - xoay chiều 1 pha 51

3.2.2.1 Xây dựng sơ đồ khối 51

3.2.2.2 Chức năng, nguyên lý làm việc, các thông số cơ bản của từng khối 52

3.3 Sơ đồ đấu nối mạch điện của mô hình thực nghiệm 66

3.4 Chương trình điều khiển 67

3.5 Xây dựng phần mềm điều khiển, giảm sát 68

3.6 Kết quả thực nghiệm 73

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các bộ phận của đèn cao áp 4

Hình 1.2 Các loại đèn cao áp hiện nay 5

Hình 1.3 Sơ đồ nối dây đèn cao áp 6

Hình 1.4 Ứng dụng đèn cao áp trong chiếu sáng đèn đường 7

Hình 1.5 Đặc tính làm việc ở chế độ tiêu chuẩn 11

Hình 1.6 Đặc tính làm việc ở chế độ hỗn hợp 12

Hình 2.1 Cấu trúc bộ điều khiển PID 14

Hình 2.2 Đặc tính động của bộ điều khiển PID 15

Hình 2.3: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S 16

Hình 2.4: Đáp ứng quá độ của hệ kín khi K K gh và tín hiệu vào dạng nấc 17

Hình 2.5 PLC S7-1200 đi kèm phần mềm lập trình tự động hóa tích hợp 19

Hinh 2.6 PLC S7 – 1200 và các module mở rộng 20

Hình 2.7 Hình dạng bên ngoài của S7 – 1200 (CPU 1212C) 22

Hình 2.8: Cấu trúc bên trong PLC S7 1200 23

Hình 2.9 Hình ảnh một số loại Modul mở rộng của PLC S7 1200 24

Hình 2.10 Sơ đồ nối dây cho CPU 1212C AC/DC/RLY 25

Hình 2.11 Sơ đồ nối dây cho Modul mở rộng SM1232 AQ2x14bit 26

Hình 2.12 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID của PLC S7 1200 28

Hình 2.13 Sơ đồ cấu trúc khối PIDT1 Anti Windup trong bộ điều khiển PID của PLC S7 1200 29

Hình 2.14 Sơ đồ khối làm việc của lệnh PID_Compact PLC S7 1200 30

Hình 2.15 Đặt tên Project 32

Hình 2.16 Chọn CPU phù hợp 33

Hình 2.17 Khai báo khối chương trình ngắt xử lý PID 33

Hình 2.18 Khai báo khối PID 34

Hình 2.19 Khai báo các đầu vào/ra cho khối PID theo yêu cầu công nghệ 34

Hình 2.20 Cấu hình loại bộ điều khiển 35

Hình 2.21 Thiết lập loại tín hiệu vào/ra 35

Hình 2.22 Thiết lập mức cao và mức thấp của giá trị vật lý điều khiển 36

Hình 2.23 Các tham số của bộ điều khiển 36

Hình 2.24 Đặt địa chỉ cho PLC 37

Hình 2.25 Đặt địa chỉ cho máy tính 38

Hình 2.26 Tham số bộ điều khiển PID sau khi thiết kế (Kp = 0.02; Ti = 0.2; 39

Td = 0.026) 39

Hình 2.27 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống 40

Hình 2.28 Sơ đồ chức năng các khối 41

Hình 2.29 Lưu đồ thuật toán tổng thể 43

Hình 2.30 Lưu đồ thuật toán chế độ tiêu chuẩn 44

Hình 2.31 Lưu đồ thuật toán chế độ cắt pha 45

Hình 2.32 Lưu đồ thuật toán chế độ hỗn hợp 46

Hình 3.1 sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi xoay chiều – xoay chiều 1 pha 48

Hình 3.2 Giản đồ dòng điện và điện áp trên các phần tử trong BBĐ 49

Hình 3.3 Giản đồ thời gian mô tả hoạt động của mạch điều khiển 51

Hình 3.4 Sơ đồ khối mạch điều khiển 52

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý và giản đồ thời gian mạch đồng bộ hoá 52

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý và giản đồ thời gian mạch phát sóng răng cưa 54

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý mạch tổng hợp tín hiệu và khuếch đại trung gian 56

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý mạch khuyếch đại trừ 57

Hình 3.9a Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh 58

Hình 3.9b Giản đồ thời gian mô tả hoạt động của mạch so sánh 58

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý mạch sửa xung dùng các cổng logic 59

Hình 3.11 Giản đồ thời gian mạch sửa xung dùng cổng logic 59

Hình 3.12 Sơ đồ trải vi mạch 555 60

Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý mạch phát xung chùm và giản đồ thời gian 61

Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý mạch chia xung 62

Hình 3.15 Giản đồ thời gian mạch chia xung 62

Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý mạch khuyếch đại xung 63

Hình 3.17 Giản đồ điện áp theo thời gian của mạch khuếch đại xung 64

Hình 3.18 Sơ đồ bản vẽ đấu nối mô hình thực nghiệm 67

Hình 3.19 Chương trình điều khiển viết trên phần mềm TIA Portal 68

Hình 3.20 Giao diện điều khiển trên Wincc tại máy tính 70

Hình 3.21 Giao diện điều khiển trên HMI tại tủ điều khiển 72

Hình 3.22 Mô hình thực nghiệm hệ thống tiết kiệm chiếu sáng đèn đường 73

Hình 3.23 Điều khiển hệ thống từ phần mềm Wincc xây dựng trên máy tính thông qua sóng Wifi 74

Hình 3.24 Điều khiển hệ thống từ HMI 74

Hình 3.25 Tất cả các bóng đều sáng vào thời điểm cao điểm ở chế độ tiêu chuẩn 75

Hình 3.26 Chiết giảm 60% công suất vào thời điểm thấp điểm của chế độ tiêu chuẩn, tất cả các bóng vẫn sáng 76

Hình 3.28 Cắt xen pha 77

Hình 3.29 Các bóng có thể bị quá áp ở chế độ cắt xen pha khi không có tính năng ổn áp 78

Hình 3.30 Đặc tính công suất khi bắt đầu chuyển sang cắt xen pha và chiết giảm 79

Hình 3.31 Đặc tính công suất khi chuyển từ cắt xen pha + chiết giảm về chiết giảm 79 Hình 3.32 Thí nghiệm mắc thêm tải vào hệ thống để gây sự tăng đột biến công suất 80 Hình 3.33 Cảnh báo “có tổn thất công suất” 80

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Các thông số của bộ điều khiển P, PI, PID theo phương pháp Nichols với hệ hở có đáng ứng đầu ra với các thông số: 17 Bảng 2.2: Của bộ điều khiển P, PI, PID theo phương pháp Zeigler-Nichols với hệ kín dạng chuẩn 18 Bảng 2.3: Bảng chức năng các tín hiệu vào/ra của bộ điều khiển PID S7 1200 30

Zeigler-MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trên thế giới, điện năng chiếu sáng chiếm vào khoảng khoảng 17% Hiện đại hóa

hệ thống đèn đường nhằm tiết kiệm điện năng và chi phí, đồng thời vẫn đảm bảo chất lượng chiếu sáng được xem là một giải pháp cấp bách Một hệ thống chiếu sáng công cộng được đánh giá thông qua các tiêu chí:

Tiết kiệm năng lượng;

Giảm chi phí đầu tư và nhân công vận hành;

An toàn cho thiết bị chiếu sáng;

An toàn cho người tham gia giao thông;

Đảm bảo mỹ quan đô thị

Tuy nhiên, hiện nay các hệ thống chiếu sáng giao thông công cộng vận hành chưa hiệu quả: Ban đêm từ 22h30 đêm đến 5h30 sáng, lưu lượng phương tiện tham gia giao thông ít nhưng ánh sáng đèn đường vẫn được duy trì như khoảng thời gian từ 18h đến 22h30 Mặt khác lưới điện chiếu sáng được sử dụng chung với lưới điện sinh hoạt nên khoảng thời gian về đêm điện áp lưới thường cao hơn định mức (đạt khoảng 240V) do đó công suất tiêu thụ của mỗi bóng cũng tăng nên, điều này đã gây lãng phí điện năng không cần thiết đồng thời làm giảm tuổi thọ của bóng đèn (do bóng bị quá điện áp)

Các nghiên cứu sử dụng bộ Vi xử lý với tính năng thời gian thực kết hợp các thiết bị động lực để điều chỉnh công suất bóng đèn truyền thông qua mạng viễn thông GSM để tạo ra hệ thống điều khiển chiếu sáng thông minh – điều khiển qua điện thoại [4], [7], [10], [12], [13] Cũng với phương pháp truyền thông bằng GSM, nhưng [9]

sử dụng năng lượng mặt trời để làm nguồn điện cấp cho chiếu sáng thay vì sử dụng điện áp lưới [14] đề xuất một hệ thống tự động tắt ánh sáng trên đường phố khi không

có xe và tự động bật ánh sáng khi có một số xe đang đi tới Các nghiên cứu về lý thuyết điều khiển hiện đại cũng đã được áp dụng cho hệ thống chiếu sáng đèn đường Bằng việc sử dụng lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy logic) [15] và Mạng Noron nhân tạo (artificialneuralnetworks) [16]

Tại việt Nam, đã có các giải pháp được áp dụng để tiết kiệm năng lượng chiếu sáng đèn đường như:

* Tắt xen kẽ các bóng trên một tuyến đường:

Giải pháp này có ưu điểm là đơn giản, chi phí thấp Tuy nhiên các phương tiện tham gia giao thông gặp khó khăn khi đi trên đoạn đường có vị trí tối - sáng làm ảnh hưởng xấu đến sự điều tiết của mắt người tham gia giao thông, đồng thời ảnh hưởng đến mỹ quan đô thị Các bóng đèn chiếu sáng vẫn không tránh được làm việc với điện áp lưới cao hơn định mức

* Thay thế các bóng đang sử dụng sang loại bóng tiết kiệm điện

Ưu điểm: Giảm được điện năng tiêu thụ, đảm bảo mỹ quan đô thị, An toàn cho phương tiện tham gia giao thông

Nhược điểm: Chi phí đầu tư lớn và việc thay thế toàn bộ các bóng đang sử dụng sang các bóng tiết kiệm điện sẽ gây lãng phí

* Sử dụng máy biến áp tự ngẫu

Điều chỉnh điện áp đầu ra của máy biến áp một cách vô cấp để điều khiển cường

độ sáng và công suất của bóng đèn Giải pháp này có ưu điểm: Bóng đèn không bị quá

áp, nâng cao tuổi thọ bóng đèn

Nhược điểm là chi phí đầu tư lớn, không tiết kiệm được nhiều điện do tổn hao trên máy biến áp

* Sử dụng thiết bị điều chỉnh công suất

Sử dụng các thiết bị bán dẫn để để điều chỉnh điện áp đặt lên bóng đèn, tối ưu theo nhu cầu sử dụng của từng thời điểm, theo mùa, và theo thời tiết Vào thời điểm buổi tối hoặc trời mưa phương tiện tham gia giao thông đông đúc, lúc này hệ thống sẽ điều khiển để đặt toàn bộ điện áp lưới lên bóng đèn để sử dụng hết công suất Khi về đêm các phương tiện tham gia giao thông giảm, hoặc trời sáng trăng hệ thống tự động điều chỉnh giảm điện áp đặt lên các bóng đèn để giảm công suất và tiết kiệm điện Nhằm mục đích tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí vận hành và tận dụng các cơ

sở vật chất có sẵn của hệ thống chiếu sáng đang tồn tại Do đó đề tài đề xuất giải pháp thiết kế ra một tủ điện dựa trên các các linh kiện bán dẫn, các bộ PLC để tự động chiết giảm và ổn định điện áp đặt lên bóng đèn theo các thời điểm, thời tiết khác nhau, đồng thời tủ điều khiển còn cho phép tắt xen kẽ các pha và tích hợp đầy đủ các tính năng bảo vệ thiết bị

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Đánh giá hệ thống chiếu sáng bằng bóng Hanlogen hiện nay

- Đề xuất giải pháp thiết kế nhằm tiết kiệm năng lượng và vận hành hiệu quả hơn

hệ thống chiếu sáng đèn đường

- Xây dựng thành công mô hình thực nghiệm

- Đề xuất lắp đặt thử nghiệm mô hình thí điểm tại một vài tuyến đường tại Thành phố Sơn la

3 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết: lý thuyết tổng quan về đối tượng điều khiển, các linh kiện

điện tử công suất, PLC, lý thuyết điều khiển PID

- Thực nghiệm: Xây dựng mô hình thực nghiệm và cài đặt thuật toán vào mô hình

4 Những kết quả đạt được

Luận văn đã đạt được một số yêu cầu như sau:

- Đánh giá được thực trạng của hệ thống chiếu sáng đèn đường hiện nay

- Phân tích ưu nhược điểm của các loại đèn đường đang sử dụng hiện nay

- Xây dựng được thuật toán điều khiển tối ưu cho đèn đường, nhằm tiết kiệm năng lượng hiệu quả

- Kiểm chứng kết quả nghiên cứu bằng mô hình thực nghiệm

- Là nguồn tư liệu phục vụ cho công tác học tập và giảng dạy trong nhà trường; Làm tài liệu tham khảo cho các chuyên gia và cán bộ kỹ thuật ngành Điện lực

5 Cấu trúc của luận văn

Tính cấp thiết của đề tài được trình bày ở phần mở đầu của luận văn Chương I của luận văn trình bày tổng quan về giải pháp tiết kiệm điện chiếu sáng đèn đường, trong đó đi sâu nghiên cứu loại bóng đèn cao áp Halogen Chương II xây dựng mô hình lý thuyết hệ thống điều khiển chiếu sáng đèn đường, trên cơ sở sử dụng thuật toán điều khiển tự động PID để điều chỉnh và ổn định điện áp đặt lên bóng đèn Chương III Xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm chứng tính đúng đắn của thuật toán, các số liệu thực nghiệm được đánh giá phân tích và so sánh với việc không sử dụng tủ tiết kiệm điện Các kết luận và kiến nghị được mô tả ở cuối chương 3

CHƯƠNG 1: CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM ĐIỆN CHIẾU SÁNG ĐÈN ĐƯỜNG 1.1 Tổng quan về các loại đèn đường

1.1.1 Cấu tạo

Đèn đường sử dụng hiện nay là loại đèn cao áp Đèn cao áp trên thị trường là những loại đèn được lắp đặt những nơi cần không gian chiếu sáng lớn, có công suất lớn để mang đến hiệu suất chiếu sáng hiệu quả

Hình 1.1 Các bộ phận của đèn cao áp

Đèn cao áp là loại đèn có cấu tạo và chức năng như sau:

Ballast: Bộ hiệu chỉnh để điều chỉnh dòng điện phù hợp với những công suất

bóng đèn khác nhau

Tụ điện: giữa 2 bản cực đặt song song là lớp điện môi được dùng để cách điện

Chức năng của tụ điện là giúp bóng đèn ổn định độ sáng Tụ điện được chia thành Tụ hóa, Tụ gốm và Tụ giấy vì chất liệu làm tụ là giấy, mica, gốm tẩm hóa chất để tạo thành điện môi

Chấn lưu: tạo ra suất điện động tự cảm trong quá trình khởi động Đây là một

cuộn dây khi kết hợp với U nguồn sẽ tạo ra điện áp Ukđ = 400v, điện áp này sẽ tạo ra điện giữa 2 cực đen Tuy nhiên, điện áp còn tại 2 đầu bóng chỉ khoảng 40V, số còn lại rơi trên chấn lưu trong chế độ xác lập

1.1.2 Các loại đèn cao áp

Hiện nay, thị trường có 4 loại đèn cao áp được sử dụng là đèn cao áp Metal Halide, đèn cao áp Sodium, đèn cao áp thủy ngân và đèn LED cao áp:

Đèn thủy ngân là loại đèn cao áp được sử dụng đầu tiên, tuy nhiên, đèn có tuổi thọ thấp, sử dụng nguồn điện có hiệu điện thế lớn lên đến vài trăm vôn Quan trọng nhất là, đèn thủy ngân chứa thủy ngân cực kỳ có hại cho môi trường và sức khỏe con người

Đèn cao áp Metal Halide có bóng thẳng và bóng bầu với ánh sáng trắng, độ chiếu sáng cao và rộng hơn Tiết kiệm nhiều hơn nhờ sử dụng công suất nhỏ, không chứa thủy ngân

Đèn cao áp Sodium phát ra ánh sáng vàng, cùng có dạng bóng bầu và bóng thẳng Tuổi thọ của loại bóng này lên đến 20,000 giờ Đèn có chất lượng chiếu sáng tốt

Đèn led cao áp được sử dụng tương đối rộng rãi để chiếu sáng nhờ kiểu dáng đa dạng, tính năng phong phú, siêu tiết kiệm điện và có tuổi thọ cao Đèn led được cấu tạo từ 5 bộ phận chính là bóng đèn, thân đèn, mạch đèn, tản nhiệt, bộ nguồn và chip đèn Tuy nhiên giá thành của đèn LED lại rất cao

a) b) c) d)

Hình 1.2 Các loại đèn cao áp hiện nay

a Đèn cao áp thủy ngân b Đèn cao áp Metal Halide

c Đèn cao áp Sodium d Đèn led cao áp

Hiện nay, đèn cao áp thủy ngân ít được sử dụng hơn đèn cao áp Metal Halide, đèn cao áp Sodium, đèn led cao áp Những loại đèn cao áp này được sử dụng rộng rãi hơn và thay thế dần cho đèn cao áp thủy ngân nhờ công nghệ mới, giúp tăng lợi ích kinh tế, tuổi thọ cao, hạn chế sử dụng điện và bảo vệ môi trường

Công suất đèn thủy ngân: 130W - 1000W

Công suất đèn Sodium: 70W - 1000W

Công suất đèn Metal: 70W - 2000W

Công suất đèn led cao áp: 70W - 1000W

1.1.3 Nguyên lý hoạt động đèn cao áp

Nguyên lý hoạt động của những loại đèn cao áp này khá tương tự nhau

Đèn cao áp Metal Halide: hoạt động theo nguyên lý của phản ứng hỗn hợp muối

Indium - Thadium - Natri Phản ứng này tạo thành những dải sóng 3 màu

Đèn cao áp Sodium: hoạt động tương tự như đèn cao áp Metal Halide theo

nguyên lý 3 hỗn hợp muối tạo thành sóng 3 màu

Đèn cao áp thủy ngân: phát sáng được nhờ thủy ngân và khí trơ chứa trong ống

thạch anh Hơi thủy ngân được tạo ra từ đây sẽ phát sáng khi gặp dòng điện với hiệu điện thế lớn

Đèn led cao áp: đèn led hoạt động giống như các loại đèn diot bán dẫn khác

Khối bán dẫn này có 2 loại tiếp giáp n và p Trên khối bán dẫn có các lỗ trống tự do có điện tích dương, khối bán dẫn chứa điện tử tự do bị hút và tiến đến gần nhau, sau đó kết hợp với nhau để tạo thành các nguyên tử trung hòa Cuối cùng là giải phóng năng lượng thành ánh sáng, chiếu ra bên ngoài theo hướng đi đã được định sẵn thông qua các lớp bảo vệ

Hình 1.3 Sơ đồ nối dây đèn cao áp

1.1.4 Ứng dụng đèn cao áp

Đèn cao áp được sử dụng và áp dụng vô cùng đa dạng trong cuộc sống Tùy thuộc vào công suất của đèn mà sử dụng cho những nhu cầu chiếu sáng khác nhau Đèn công suất lớn được dùng chiếu sáng cho địa điểm cần ánh sáng lớn và mạnh như nhà máy, đường phố, công viên, sân vận động, rạp hát, siêu thị

Đèn công suất vừa và nhỏ được sử dụng trong nhà, thay thế cho các loại đèn compact chiếu sáng gia đình

Hình 1.4 Ứng dụng đèn cao áp trong chiếu sáng đèn đường

1.1.5 Tiêu chuẩn lựa chọn bóng đèn cao áp

1.1.5.3 Vị trí lắp đặt

Thẩm mỹ là yếu tố được quan tâm hàng đầu Nên lựa chọn bóng đèn màu gì, kích thước như thế nào, lắp đặt ra sao cho thích hợp với từng khu vực và từng nhu cầu

chiếu sáng là điều khá quan trọng Nên tham khảo đầy đủ các thông tin về vị trí và tính năng sử dụng của từng loại bóng để chọn lựa cho phù hợp với từng không gian

1.1.5.4 Tuổi thọ đèn cao áp

Tuổi thọ trung bình của đèn thủy ngân cao áp là 10,000 - 24,000 giờ chiếu sáng Tuổi thọ của đèn led cao phải 7 - 8 năm mới cần bảo dưỡng với 35,000 - 50,000 giờ chiếu sáng

Tuổi thọ đèn Sodium là 20,000 giờ

Tuổi thọ trung bình của đèn Metal Halide là 6,000 - 15,000 giờ

1.1.6 Ưu nhược điểm của đèn cao áp

1.1.6.1 Ưu điểm

Đèn Metal Halide và led cao áp mang đến hiệu quả chiếu sáng lớn

Đèn led không chứa các tia UV, tia tử ngoại, tia cực tím nên thân thiện với con người và môi trường

Đèn led chiếu sáng Metal giúp không gian được chiếu sáng tốt, mang đến nguồn sáng cực lớn, thích hợp với những khu vực công cộng cần sự chiếu sáng tập trung

1.1.6.2 Nhược điểm

Chi phí cho đèn led cao áp khá lớn, thường là được nhập khẩu mà không được sản xuất trực tiếp Tuy nhiên, thị trường cũng có khá nhiều loại đèn được nhập khẩu rẻ tiền với giá thấp khiến khách hàng không biết nên lựa chọn như thế nào

Tuổi thọ của các loại đèn cao áp Metal và Sodium khá thấp, chất lượng chiếu sáng cũng không tốt như lúc ban đầu

1.1.7 Các tính năng của đèn cao áp

Phù hợp với nhiều công trình chiếu sáng, nhiều lĩnh vực chiếu sáng khác nhau Đảm bảo khả năng chiếu sáng, không gây ảnh hưởng hoạt động sinh hoạt

Tiết kiệm điện năng và tiết kiệm chi phí chiếu sáng cho không gian chiếu sáng diện rộng

Thân thiện tối đa với môi trường, đảo bảo an toàn cho sức khỏe con người, không gây độc hại

Có nhiều sự lựa chọn để đưa ra chọn lựa hợp lý nhất

Chóa đèn, nắp và thân đèn được làm từ chất liệu nhôm đúc áp lực cao không hấp thụ ánh sáng mà còn có khả năng phản tốt Chống oxy hóa hay rỉ sét dưới tác động của môi trường

Đèn được thiết kế đơn giản, thuận lợi cho việc lắp đặt

1.2 Một số giải pháp điều khiển tiết kiệm năng lượng đèn đường

Những năm gần đây, ở Việt Nam, nhiều giải pháp tiết kiệm năng lượng cho các thiết bị chiếu sáng cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng như: sử dụng công nghệ đèn chiếu sáng hiệu suất cao (đèn huỳnh quang T5, T8; đèn huỳnh quang compact; đèn LED; đèn OLED; đèn hơi natri áp xuất thấp hoặc cao; đèn hơi halogen kim loại; đèn không điện cực LVD); nâng cao hiệu suất các thiết bị trong bộ đèn (choá đèn, chấn lưu)

Ngoài việc áp dụng công nghệ chiếu sáng hiệu suất cao để tiết kiệm điện năng, thì một vấn đề rất được quan tâm là sử dụng hợp lý công suất chiếu sáng cho phù hợp với nhu cầu chiếu sáng Đặc biệt là đối với chiếu sáng ở các nơi công cộng, do vào ban đêm khi mật độ giao thông rất thấp, việc duy trì 100% công suất chiếu sáng là không cần thiết Vì vậy, việc triết giảm công suất chiếu sáng trong thời gian này là yêu cầu bắt buộc đối với chiếu sáng công cộng hiện đại Để giải quyết vấn đề nêu trên một số các giải pháp cơ bản có thể áp dụng như:

Giải pháp 1: Tắt luân pha các bóng đèn vào ban đêm, cắt giảm năng lượng chiếu

sáng bằng biện pháp tắt luân pha đến 50% số bóng đèn khi vận hành vào ban đêm, lưu

lượng giao thông thấp

Giải pháp này đã tiết kiệm đến 50% điện chiếu sáng, tuy nhiên vẫn tồn tại một số nhược điểm như sau:

+ Số bóng đèn tham gia chiếu sáng vào ban đêm vẫn không tránh khỏi hiện tượng quá điện áp nguồn nên giảm tuổi thọ đáng kể;

+ Ánh sáng trên các tuyến đường không đồng đều, vùng tối, vùng sáng bởi việc tắt luân pha các bóng đèn gây ra, ảnh hưởng đến an toàn giao thông và mỹ quan đô thị

Giải pháp 2: Sử dụng chấn lưu hai mức công suất hoặc sử dụng chấn lưu phụ

mắc thêm cho chấn lưu thường để tạo thành tổ hợp chấn lưu hai mức công xuất để giảm công suất tiêu thụ của đèn vào ban đêm khi nhu cầu chiếu sáng giảm bớt Giải pháp này áp dụng trong thiết kế mới các dự án đèn đường và phải đảm bảo chất lượng điện áp ổn định Ưu điểm thiết bị gọn, tổn hao thấp Nhược điểm là giá thành thiết bị cao, không điều chỉnh được mức tiết kiệm do đã được lập trình sẵn, chi phí sửa chữa thay thế cao

Giải pháp 3: Dùng 2 bóng công suất nhỏ trên 1 cột Đây là giải pháp đơn giản

hiệu quả tiết kiệm cao, tuy nhiên chi phí đầu tư cao.

Giải pháp 4: Thay thế các bóng đang có sang bóng LED Giải pháp này có ưu

điểm tiết kiệm điện, tuổi thọ bóng LED cao Tuy nhiên gây lãng phí do phải thay thế toàn bộ các bóng và các chao đèn đang có Giá thành của các bóng LED cũng rất lớn nên chi phí đầu tư cao

Giải pháp 5: Sử dụng máy biến áp tự ngẫu để điều chỉnh chiết giảm vô cấp điện

áp đặt lên bóng đèn nhằm tiết kiệm năng lượng và nâng cao tuổi thọ của bóng Giải pháp này tiết kiệm được phần nào năng lượng Tuy nhiên lại gây tổn hao trên máy biến

áp Hệ thống khá cồng kềnh phức tạp

1.3 Đề xuất giải pháp thiết kế

Sử dụng thiết bị điều chỉnh công suất, để chế tạo ra tủ điều khiển có khả năng tự động điều chỉnh công suất chiếu sáng tối ưu theo nhu cầu sử dụng của từng thời điểm, theo nguyên tắc:

Vận hành ở chế độ chiếu sáng định mức: Trong khoảng thời gian cao điểm tham gia giao thông từ 18h - 22h30 (hoặc do người dùng cài đặt), khoảng thời gian này nếu điện áp lưới cao hơn định mức thì thiết bị tự động điều chỉnh điện áp về giá trị định mức và công suất chiếu tương ứng <=100%

Vận hành ở chế độ chiết giảm: Trong khoảng thời gian: 22h30 - 05h30 (hoặc do người dùng cài đặt), tất cả các bóng đèn vẫn sáng nhưng ở công suất tiêu thụ chỉ còn 50- 100% (Do người dùng cài đặt) công suất định mức, cường độ ánh sáng có giảm

theo nhưng vẫn đảm bảo với mật độ hoạt động của người tham gia giao thông tại thời điểm đó

Giải pháp này cho phép sử dụng lại bóng cao áp và đường dây của hệ thống chiếu sáng hiện đang vận hành

Ưu điểm:

- Khả năng chiết giảm đến 50% điện năng, nhưng vẫn đảm bảo cường độ chiếu sáng cho phép

- Đảm bảo mỹ quan đô thị

- Chống quá áp trên bóng đèn, giúp tăng tuổi thọ bóng

- Tận dụng được thiết bị hạ tầng chiếu sáng hiện có

 Chế độ tiêu chuẩn: Ở chế độ tiêu chuẩn hệ thống đèn chiếu sáng sẽ

được tự động bật sáng ở thời điểm t1 và sẽ duy trì ổn định ở công suất đặt P2 cho đến thời điểm t2 Tại thời điểm t2 hệ thống chiếu sáng sẽ được tự động chuyển sang vận hành ở công suất P3 < P2 cho đến thời điểm t5 Trong khoảng thời gian từ t2 - t5 công suất có thể được vận hành ở mức từ (50 – 100)% công suất định mức của hệ thống

Hình 1.5 Đặc tính làm việc ở chế độ tiêu chuẩn

 Chế độ cắt xen pha

Chế độ làm việc này giống như giải pháp 1 đã trình bày ở mục 1.2 Lúc này tủ điều khiển làm việc như một tủ điện đóng cắt thông thường theo chức năng thời gian thực, không có sự tham gia của bộ bán dẫn công suất Năng lượng sẽ được tiết kiệm tối

đa đến 50% nhưng không tránh khỏi việc bị quá áp bóng đèn và ảnh hưởng đến chất

lượng chiếu sáng và mỹ quan đô thị

 Chế độ hỗn hợp

Hình 1.6 Đặc tính làm việc ở chế độ hỗn hợp

Có thể kế hợp cả vận hành chiết giảm công suất và vận hành ngắt xen pha, điều

đó sẽ cho hiệu quả tiết kiệm năng lượng cao hơn tuy nhiên chỉ áp dụng cho những tuyến đường ít phương tiện lưu thông về đêm vì nó sẽ không đảm bảo chất lượng chiếu sáng Gần sáng có thể do nhu cầu chiếu sáng lại tăng do lưu lượng người tham gian giao thông tăng, Các pha lại được bật sáng trở lại

Chế độ điều khiển:

 Chế độ tại chỗ

Vận hành và cài đặt các tham số làm việc tại màn hình cảm ứng HMI đặt tại tủ điều khiển Các tham số năng được giám sát bằng đồng hồ năng lượng và hiển thị cả trên HMI

Cảnh báo cháy bóng trên tuyến Bảo vệ quá dòng

Bảo vệ quá áp Bảo vệ thấp áp

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH LÝ THUYẾT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

CHIẾU SÁNG ĐÈN ĐƯỜNG 2.1 Tổng quan về lý thuyết điều khiển kinh điển PID

Tên gọi PID là chữ viết tắt của ba thành phần cơ bản có trong bộ điều khiển gồm khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D) Người ta vẫn thường nói rằng PID là một tập thể hoàn hảo gồm ba tính cách khác nhau:

- Phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ được giao (tỷ lệ)

- Làm việc và có tích lũy kinh nghiệm để thực hiện tốt nhiệm vụ (tích phân)

- Luôn có sáng kiến và phản ứng nhanh nhạy với sự thay đổi tình huống trong quá trình thực hiện nhiệm vụ (vi phân)

Hình 2.1 Cấu trúc bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp Lý do bộ PID được sử dụng rộng rãi vì tính đơn giản của nó cả

về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống

về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng:

- Triệt tiêu sai số xác lập

- Giảm thời gian xác lập và độ vọt lố

- Hạn chế dao động

Quan hệ vào/ra của bộ điều khiển được thể hiện bằng biểu thức:

Hình 2.2 Đặc tính động của bộ điều khiển PID

Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào các tham số Kp, TI, Td

- Thành phần khuếch đại (Kp) có tác dụng làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ, và làm giảm, chứ không triệt tiêu sai số xác lập của hệ Muốn giảm nhỏ sai lệch tĩnh phải tăng hệ số Kp nhưng khi đó tính dao động của hệ thống sẽ tăng lên và hệ thống dễ mất

Muốn hệ thống có được chất lượng như mong muốn thì phải phân tích đối tượng rồi trên cơ sở đó chọn các tham số phù hợp Hiện có khá nhiều các phương pháp xác định các tham số Kp, TI, Td cho bộ điều khiến PID, song tiện ích hơn cả trong ứng dụng vẫn là:

- Phương pháp Ziegler – Nechols

- Phương pháp Chien –Hrones –Reswick

- Phương pháp tổng T của Kuhn

- Phương pháp tối ưu độ lớn và phương pháp tối ưu đối xứng

- Phương pháp tối ưu thế sai lệch bám

Phương pháp thực nghiệm Zeigler-Nichols

Đây là phương pháp phổ biến nhất để chọn thông số cho bộ điều khiển PID thương mại hiện nay Phương pháp này dựa vào thực nghiệm để thiết kế bộ điều khiển

P, PI, PID bằng cách dựa vào đáp ứng quá độ của đối tượng điều khiển

Zeigler và Nichols đã đưa ra hai cách chọn thông số bộ điều khiển PID tuỳ theo đặc điểm của đối tượng

Cách 1: Dựa vào đáp ứng quá độ của hệ hở, áp dụng cho các đối tượng có đáp

ứng dạng chữ S đối với tín hiệu vào là hàm nấc như hình 2.3

Ts 1

k )

s

(

S

Ls e



Hình 2.3: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S

Khi đó ta có thể xác định các thông số của bộ điều khiển P, PI, PID theo bảng sau:

Bảng 2.1: Các thông số của bộ điều khiển P, PI, PID theo phương pháp Zeigler-Nichols với hệ hở có đáng ứng đầu ra với các thông số:

Cách 2: Dựa vào đáp ứng quá độ của hệ kín dạng chuẩn (Phản hồi bằng -1), áp

dụng cho các đối tượng có khâu tích phân lý tưởng Đáp ứng quá độ (hệ hở) của các đối tượng có khâu tích phân lý tưởng không có dạng như hình 3.1 mà tăng đến vô cùng Đối với các đối tượng thuộc loại này ta chọn thông số bộ điều khiển PID dựa vào đáp ứng quá độ của hệ kín như hình 2.4 Tăng dần hệ số khuyếch đại K đến giá trị giới hạn Kgh

, khi đó đáp ứng ra của hệ kín ở trạng thái xác lập là dao động ổn định

với chu kỳ Tgh

Hình 2.4: Đáp ứng quá độ của hệ kín khi K K gh

và tín hiệu vào dạng nấc

Khi đó thông số của bộ điều khiển P, PI, PID được xác định như sau:

Bảng 2.2: Của bộ điều khiển P, PI, PID theo phương pháp Zeigler-Nichols với

2.2 Tìm hiểu bộ điều khiển PID trong PLC S7 1200

2.2.1 Giới thiệu PLC S7 1200

2.2.1.1 Tổng quan

PLC SIMATIC S7 1200 là một đề nghị mới của SIEMENS cho các nhiệm vụ

tự động hóa với chính xác cao PLC SIMATIC S7 1200 được thiết kế dạng module nhỏ gọn, linh hoạt, một sự đầu tư an toàn mạnh mẽ phù hợp cho một loạt các ứng dụng PLC S7 1200 có một giao diện truyền thông đáp ứng tiêu chuẩn cao nhất của truyền thông công nghiệp và đầy đủ các tính năng công nghệ mạnh mẽ (Technology Function) tích hợp sẵng làm cho nó trở thành một giải pháp tự động hóa hoàn chỉnh và toàn diện

PLC S7 1200 bao gồm 4 phiên bản với nhiều tùy chọn cho người dùng (CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C và CPU 1215C), Tất cảc ác dòng CPU của Serial S7

1200 đều tíchh Hợp giao tiếp Ethernet và cũng có thể mở rộng giao diện truyền thông khác như RS232, RS485, Profibus, AS-I Trên các CPU này đều tích hợp sẵn các cổng vào ra số DI/DO và 2 cổng vào Analog AI với độ phân giải 10bit

S7-1200 sử dụng chung một phần mềm TIA PORTAL cho việc lập trình PLC

và các màn hình HMI Điều này giúp cho việc thiết kế, lập trình, thi công hệ thống điều khiển được nhanh chóng, đơn giản

Bên cạnh CPU S7-1200 và phần mềm lập trình mới, một dải sản phẩm các màn hình HMI mới dùng cho PLC S7-1200 cũng được giới thiệu Tất cả cùng tạo ra một giải pháp tích hợp, thống nhất cho thị trường tự động hóa cỡ nhỏ (Micro Automation)

Hình 2.5 PLC S7-1200 đi kèm phần mềm lập trình tự động hóa tích hợp

Các tính năng nổi bật của SIMATIC S7-1200:

- Cổng truyền thông Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn:

 Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thông

PLC-PLC

 Dùng kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet mởĐầu nối

RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo

 Tốc độ truyền 10/100 Mbits/s

 Hỗ trợ 16 kết nối ethernet, TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol

- Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình:

 6 bộ đếm tốc độ cao (high speed counter) dùng cho các ứng dụng đếm và

đo lường, trong đó có 3 bộ đếm 100kHz và 3 bộ đếm 30kHz

 2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ và vị trí động cơ bước hay bộ

lái servo (servo drive)

 Ngõ ra điều rộng xung PWM, điều khiển tốc độ động cơ, vị trí valve, hay

điều khiển nhiệt độ

 16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số điểu khiển

(auto-tune functionality)

- Thiết kế linh hoạt:

 Mở rộng tín hiệu vào/ra bằng board tín hiệu mở rộng (signal board), gắn

trực tiếp phía trước CPU, giúp mở rộng tín hiệu vào/ra mà không thay đổi kích thước hệ điều khiển

 Mỗi CPU có thể kết nối 8 module mở rộng tín hiệu vào/ra

 Ngõ vào analog 0-10V được tích hợp trên CPU

 3 module truyền thông có thể kết nối vào CPU mở rộng khả năng truyền

thông, vd module RS232 hay RS48550KB work memory, 2MB load memory

 Card nhớ SIMATIC, dùng khi cần rộng bộ nhớ cho CPU, copy chương

trình ứng dụng hay khi cập nhật firmware

 Chẩn đoán lỗi online / offline

Hinh 2.6 PLC S7 – 1200 và các module mở rộng

Phân loại

Việc phân loại S7-1200 dựa vào loại CPU mà nó trang bị: Các loại PLC thông dụng: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C, CPU 1215C Thông thường S7-200 được phân ra làm 3 loại chính:

- Loại AC/DC/RLY:

 Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC(từ 15VDC – 30VDC)

 Ưu điểm của loại này là dùng ngõ ra Relay Do đó có thể sử dụng ngõ ra

ở nhiều cấp điện áp khác nhau( có thể sử dụng ngõ ra 0V, 24V, 220V…)

 Tuy nhiên, nhược điểm của nó là do ngõ ra Relay nên thời gian đáp ứng

không nhanh cho ứng dụng biến điệu độ rộng xung, hoặc Output tốc độ cao…

 Ưu điểm của loại này là dùng ngõ ra transistor Do đó có thể sử dụng

ngõ ra này để biến điệu độ rộng xung, Output tốc độ cao…

 Tuy nhiên, nhược điểm của loại này là do ngõ ra transistor nên chỉ có thể

sử dụng một cấp điện áp duy nhất là 24VDC, do vậy sẽ gặp rắc rối trong những ứng dụng có cấp điện áp khác nhau Trong trường hợp này, phải thông qua một Relay 24VDC đệm Hơn nữa nó lại cần nguồn nuôi 24VDC, do vậy cần phải có bộ nguồn DC kem theo

Hình 2.7 Hình dạng bên ngoài của S7 – 1200 (CPU 1212C)

Số lượng đầu vào/ra số của PLC S7 1200 tùy thuộc vào từng dòng CPU khác nhau Ví dụ: CPU 1212C gồm 10 ngõ vào và 6 ngõ ra, có khả năng mở rộng thêm 2 module tín hiệu (SM), 1 mạch tín hiệu(SB) và 3 module giao tiếp (CM)

Các đèn báo trên CPU

 STOP / RUN (cam / xanh): CPU ngừng / đang thực hiện chương trình đã

 LINK: Màu xanh báo hiệu việc kết nối với tính thành công

 Rx / Tx: Đèn vàng nhấp nháy báo hiệu tín hiệu được truyền

Cấu trúc bên trong PLC S7 1200 cũng giống như các PLC cùng họ khác, PLC S7-1200 gồm 4 bộ phận cơ bản: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất / nhập

Bộ xử lý còn được gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu trong bộ nhớ của PLC Truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị xuất

Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC (24V) cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện trong các module giao tiếp nhập và xuất hoạt động

Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý

Các thành phần nhập và xuất (input / output) là nơi bộ nhớ nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điều khiển Tín hiệu nhập có thể từ các công tắc, các bộ cảm biến,… Các thiết bị xuất có thể là các cuộn dây của bộ khởi động động cơ, các van solenoid,…

Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ nhờ sự trợ giúp của bộ lập trình hay bằng máy vi tính

Hình 2.8: Cấu trúc bên trong PLC S7 1200

Modul chức năng và Modul mở rộng

Khả năng mở rộng của từng loại CPU tùy thuộc vào các đặc tính, thông số và quy định của nhà sản xuất

Hình 2.9 Hình ảnh một số loại Modul mở rộng của PLC S7 1200

S7-1200 có các loại module mở rộng sau:

- Communication module (CP): Modul truyền thông – RS232; RS485; Ethernet

- Signal board (SB): Vào số; ra số; vào analog; ra analog; RS485

- Signal Module (SM): Vào số; ra số; vào analog; ra analog; hoặc kết hợp

Đấu nối PLC S7 – 1200 với thiết bị ngoại vi

Việc đấu nối PLC S7 – 1200 tùy thuộc vào từng dòng CPU Tuy nhiên sẽ có quy tắc chung sau:

+ Các thiết bị đầu vào: Nút bấm, Cảm biến, biến trở, Switch sẽ được nối tới các đầu vào số (Ký hiệu: Ix.y) hoặc các đầu vào tương tự (Ký hiệu: IWx) tùy từng chức năng

+ Các thiết bị chấp hành: Rơle trung gian, Contactor, Biến tần, van tỉ lệ sẽ được nối tới các đầu ra số (Ký hiệu: Qx.y) hoặc các đầu ra tương tự (Ký hiệu QWx) tùy từng chức năng

Ví dụ 1: Hình 2.10 trình bày sơ đồ nối dây cho CPU 1212 AC/DC/RLY

Hình 2.10 Sơ đồ nối dây cho CPU 1212C AC/DC/RLY

+ Nguồn nuôi cấp bằng điện áp: 120VAC - 240VAC

+ 8 đầu vào số (8DI) được nối với nguồn 24VDC

+ 2 đầu vào tương tự (2AI) được nối với tín hiệu vào dạng Analog ( 0 – 10V hoặc 0 – 20mA hoặc 4 – 20mA)

+ 6 đầu ra Rơle (6DO), có thể nối qua nguồn AC hoặc DC đều được Vì bản bản chất nó chỉ là tiếp điểm thường hở của Rơle

Ví dụ 2: Hình 2.11 trình bày sơ đồ nối dây cho Modul mở rộng SM1232

AQ2x14bit

+ Nguồn nuôi: Dùng nguồn 24VDC

+ Các đầu ra Analog gồm 2 kênh (0 và 1) Các đầu vào này có thể được nối ra điều khiển các thiết bị chấp hành Analog (Biến tần, van tỉ lệ ) dạng điện áp (0 – 10V) hoặc đạng dòng điện (4 – 20mA hoặc 0 – 20mA)

Hình 2.11 Sơ đồ nối dây cho Modul mở rộng SM1232 AQ2x14bit

2.2.1.3 Các vùng nhớ hay sử dụng

* Vùng nhớ đệm ngõ vào số I: CPU sẽ đọc trạng thái tín hiệu của các ngõ vào

số ở đầu mỗi chu kỳ quét, sau đó sẽ chứa các giá trị này vào vùng nhớ đệm ngõ vào

Có thể truy cập vùng nhớ này theo bit, Byte, Word hay Doubleword Tuy nhiên hay được sử dụng ở dạng bit:

I0.0; I0.1 I0.7; I1.0 I1.7; I2.0 I2.7: Giá trị sẽ bị mất khi PLC mất điện

* Vùng nhớ đệm ngõ ra số Q: Trong quá trình xử lý chương trình CPU sẽ

lưu các giá trị xử lý thuộc vùng nhớ ngõ ra vào đây Có thể truy cập vùng nhớ này theo bit, Byte, Word hay Doubleword Tuy nhiên hay được sử dụng ở dạng bit:

Q0.0; Q0.1 Q0.7; Q1.0 Q1.7; Q2.0 Q2.7: Giá trị sẽ bị mất

khi PLC mất điện

* Vùng nhớ trung gian biến M: Giá trị có thể bị mất hoặc không bị mất khi

PLC mất điện (Việc này tùy thuộc vào chức năng lựa chọn Retain trong phần mềm

TIA PORTAL)

+ Truy xuất dạng bit: M0.0 M0.7; M1.0 M1.7

+ Truy xuất dạng byte: MB0; MB1 MB100

+ Truy xuất dạng word: MW0; MW2; MW4; VW100 Lưu ý: MW0 = MB0 + MB1 do đó để không bị trùng ô nhớ dạng byte, ta nên sử dụng các ô nhớ cách đều nhau 2 đơn vị, ví dụ: MW0; MW2; MW4

+ Truy xuất dạng Double word: MD0; MD4; MD8 Lưu ý: MD0 = MB0 + MB1 + MB2 + MB3 do đó để không bị trùng ô nhớ dạng byte, ta nên sử dụng các ô nhớ cách đều nhau 4 đơn vị, ví dụ: MD0; MD4; MD8

* Vùng nhớ bộ định thời T: Các bộ định thời được sử dụng cho các yêu cầu

điều khiển cần trì hoãn thời gian Có các loại: TON; TOF; TONR

* Vùng nhớ bộ đếm C: Có 3 loại bộ đếm là bộ đếm lên (CTU), bộ đếm xuống (CTD) và bộ đến lên-xuống (CTUD) Các bộ đến sẽ tăng hoặc giảm giá trị hiện hành

khi tín hiệu tại ngõ vào thay đổi trạng thái từ mức thấp lên mức cao, dùng trong các ứng dụng đếm sản phẩm

* Vùng nhớ ngõ vào tương tự AI (Analog Inputs): Các PLC S7-1200

chuyển giá trị một tương tự (dạng 0 – 10V hoặc 0 – 20mA) thành giá trị số (0 – 27648) và chứa vào một vùng nhớ 16 bit Bởi vì các giá trị tương tự chiếm một vùng nhớ word nên chúng luôn luôn có các giá trị word chẳng hạn như IW96, IW98, và

là các giá trị chỉ đọc

* Vùng nhớ ngõ ra tương tự AQ (Analog Outputs): Các PLC S7-1200

chuyển một giá trị số 16 bit (0 – 27648) sang giá trị điện áp (0 – 10V) hoặc dòng điện (0 – 20mA) Giống như các ngõ vào tương tự chúng ta chỉ có thể truy xuất các ngõ ra tương tự theo word Và là các giá trị word chẵn, chẳng hạn như QW92, QW94 ,

2.2.2 Bộ điều khiển PID trong PLC S7 1200

Bộ điều khiển PID của PLC S7 1200 có chức năng tổng hợp tín hiệu đầu vào, bằng cách so sánh tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi Từ đó điều chỉnh tín hiệu ở đầu ra sao cho đạt các chỉ tiêu về chất lượng một cách tối ưu Bộ điều khiển PID của PLC S7

1200 được chia thành 4 dạng lệnh, với các chức năng và trường hợp sử dụng khác nhau

Trong khuôn khổ của luận văn, Đối tượng điều khiển là bộ bán dẫn công suất AC/AC bao gồm các Thyristor mắc song song ngược có thể điều chỉnh được điện áp đầu ra để đặt lên bóng đèn, Tín hiệu điều khiển dạng Analog 4 – 20mA Do đối lượng

là khâu tuyến tính Nên ta sử dụng khối PID_Compact là phù hợp nhất Ta sẽ phân

tích kỹ chức năng và cấu trúc lệnh PID_Compact

Lệnh PID_Compact cung cấp bộ điều khiển PID với việc điều chỉnh tích hợp cho các đối tượng tuyến tính Có thể hoạt động ở các chế độ:

Không hoạt động Chế độ tiền xử lý Chế độ Dò tham số Chế độ tự động Chế độ bằng tay Giá trị đầu ra thay thế với giám sát lỗi

Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID_Compact của PLC S7 1200 được trình bày như hình 2.12, 2.13 và sơ đồ khối làm việc của khối PID_Compact như hình 2.14

Hình 2.12 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID của PLC S7 1200

Giải thích các khối của sơ đồ PID_Compact:

+ CRP_IN và Scale: Do đầu vào Input_Per là tín hiệu dạng sau chuyển đổi Analog (INT), nên cần phải qua CRP_IN và Scale để đổi sang đại lượng vật lý

+ Limit: Là khâu giới hạn, nó không cho phép người vận hành đặt giá trị Setpoint lớn hơn giá trị cao (High) và nhỏ hơn giá trị thấp (Low) do người lập trình cài đặt

+ PIDT1_Anti Windup: Khâu xử lý PID, trong khâu này Việc xử lý tín hiệu khuếch đại, vi phân, tích phân thông qua các tham số Khuếch đại (Kp), Tích phân (Ti)

và Vi phân (Td) sẽ được thực hiện tại đây (hình 2.12)

+ PV_Alarm: Khâu thực hiện việc xử lý các tín hiệu cảnh báo khi giá trị phản hồi lớn hơn hoặc nhỏ hơn giá trị người lập trình cài đặt

+ INV: Khâu đảo tín hiệu điều khiển đầu ra (nếu muốn)

+ Limit: Khâu giới hạn tín hiệu đầu ra, không cho vượt quá giá trị cho phép (bão hòa)

+ Ouput: Tín hiệu ra dạng %

+ CRP_OUT: Chuyển tín hiệu ra ở dạng % thành tín hiệu Analog để đưa đến các Modul Analog

+ PWM: Chuyển tín hiệu ra ở dạng % thành tín hiệu dạng xung để đưa đến các

Modul cần điều khiển độ rộng xung

Hình 2.13 Sơ đồ cấu trúc khối PIDT1 Anti Windup trong bộ điều khiển PID của PLC

S7 1200