Ứng dụng plc để điều khiển thiết bị đóng cắt và kiểm soát hệ thống điện cho biệt thự, khách sạn, văn phòng cho thuê và nhà cao tầng, các xưởng sản xuất tự động… nghiên cứu khoa học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THAM GIA XÉT GIẢI THƯỞNG NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG PLC ĐỂ ĐIỀU KH

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THAM GIA XÉT GIẢI THƯỞNG NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG PLC ĐỂ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐÓNG CẮT VÀ KIỂM SOÁT HỆ THỐNG ĐIỆN CHO BIỆT THỰ, KHÁCH SẠN, VĂN PHÒNG CHO THUÊ VÀ NHÀ CAO TẦNG, CÁC XƯỞNG

Trang 2

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

THAM GIA XÉT GIẢI THƯỞNG NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

ĐỀ TÀI:

ỨNG DỤNG PLC ĐỂ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐÓNG CẮT VÀ KIỂM SOÁT HỆ THỐNG ĐIỆN CHO BIỆT THỰ, KHÁCH SẠN, VĂN PHÒNG CHO THUÊ VÀ NHÀ CAO TẦNG, CÁC XƯỞNG SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG…

Mã đề tài

………

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật

Sinh viên thực hiện: Lê Quốc Đạt Nam, Nữ: Nam

Trang 3

CHƯƠNG MỞ ĐẦU: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

I.ĐẶT VẤN ĐỀ

- Việc điều khiển các thiết bị điện theo cách truyền thống ( đóng, ngắt khí cụ điện) trở nên lỗi thời Và đối với những thiết bị có công suất lớn như các loại máy móc trong các phân xưởng, trạm biến áp… thì việc điều khiển bằng các khí cụ điện thông thường trở nên rất nguy hiểm cho người sử dụng

còn khá rườm rà và phức tạp do khối lượng các thiết bị điều khiển còn nhiều

- Ngoài ra, với ý thức sử dụng điện của đa phần người Việt nam, sử dụng điện ở một số nơi có thể nói là rất hoang phí dẫn đến một lượng công suất điện bị tiêu thụ không có mục đích và số tiền chi ra để trả cho khoản công suất đó cũng không hề nhỏ Đặc biệt là tại các cao ốc, tòa nhà văn phòng, khách sạn… Việc này sẽ gây ảnh hưởng không nhỏ đến doanh thu cũng như hiệu quả kinh doanh của các doanh nghiệp

Từ đó ý tưởng dùng PLC để điều khiển thiết bị đóng cắt và kiểm soát Hệ thống điện cho Biệt thự, Khách sạn, Văn phòng cho thuê và nhà cao tầng, các xưởng sản xuất tự động được hình thành nhằm giải quyết được các vấn

đề trên

II.MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

đóng ngắt trực tiếp thì phải đóng ngắt từng thiết bị riêng lẻ, trong trường hợp

có nhiều thiết bị thì công việc này trở nên bất tiện và đòi hỏi nhiều công sức Với PLC thì chỉ cần một vài thao tác cơ bản thì sẽ điều khiển được rất nhiều thiết bị )

đóng ngắt trực tiếp thì sẽ cần nhiều lao động nhưng với PLC thì chỉ cần một

Trang 4

người điều hành đã được đào tạo là có thể thay thế cho rất nhiều nhân công Đồng thời do điều khiển PLC nên các hỏng hóc cũng sẽ thấp đi )

tổn hao

III.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

chưa kiểm soát việc sử dụng

- Tính toán lượng điện năng tiêu thụ sau khi đã kiểm soát bằng hệ thống điều khiển bằng PLC

khi sử dụng có kiểm soát để rút ra kết luận về tính khả thi cũng như những lợi ích, hạn chế của đề tài

Trang 5

CHƯƠNG II: NỘI DUNG KHOA HỌC

1 Nguyên lý điều khiển sử dụng trong đề tài

2 Giới thiệu các linh kiện – thiết bị được sử dụng

a Relay trung gian

a.1 Khái niệm và cấu tạo

Rơle trung gian là một khí cụ điện dùng trong lĩnh vực điều khiển tự

động, cơ cấu kiểu điện từ Rơle trung gian đóng vai trò điều khiển trung

gian giữa các thiết bị điều khiển (Contactor, Rơle thời gian ) Rơle trung

gian gồm: Mạch từ của nam châm điện, hệ thống tiếp điểm chịu dòng điện

nhỏ (5A), vỏ bảo vệ và các chân ra tiếp điểm

a.2 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của Rơle trung gian tương tự như nguyên lý

hoạt động của Contactor Khi cấp điện áp bằng giá trị điện áp định mức vào

hai đầu cuộn dây của Rơle trung gian (ghi trên nhãn), lực điện từ hút mạch

từ kín lại, hệ thống tiếp điểm chuyển đổi trạng thái và duy trì trạng thái này

(tiếp điểm thường đóng hở ra, tiếp điểm thường hở đóng lại) Khi ngưng

cấp nguồn, mạch từ hở, hệ thống tiếp điểm trở về trạng thái ban đầu

Điểm khác biệt giữa Contactor và Rơle có thể tóm lược như sau:

- Trong Rơle chỉ có duy nhất một loại tiếp điểm có khả năng tải dòng điện

nhỏ, sử dụng cho mạch điều khiển (tiếp điểm phụ)

Tín hiệu

điều khiển

từ PC PLC

Hệ thống điều khiển điện tử

Bộ phận đóng cắt Thiết bị

Trang 6

- Trong Rơle cũng có các loại tiếp điểm thường đóng và tiếp điểm thường

hở, tuy nhiên các tiếp điểm không có buồng dập hồ quang (khác với hệ thống tiếp điểm chính trong Contactor hay CB)

Dùng thêm tiếp điểm phụ để tránh hồ quang cháy lan vào làm hư hại tiếp điểm chính

Trong buồng dập hồquang thông dụng, người ta dùng những tấm thép xếp thành lưới ngăn, để phân chia hồ quang thành nhiều đoạn ngắn thuận lợi cho việc dập tắt hồ quang

b.3 Cơ cấu truyền động cắt CB

Truyền động cắt thường có hai cách: Bằng tay và bằng cơ điện (điện

từ, động cơ điện)

Trang 7

Điều kiển bằng tay được thực hiện với các CB có dòng điện định mức không lớn hơn 600A Điều khiển bằng điện từ (nam châm điện) được ứng dụng ở các CB có dòng điện lớn hơn (đến 1000A)

Để tăng lực điều khiển bằng tay người ta dùng một tay dài phụ theo nguyên lý đòn bẩy Ngoài ra còn có cách điều khiển bằng động cơ điện hoặc bằng khí nén

vệ Người ta thường dùng hệ thống điện tử và rơle nhiệt làm móc bảo vệ, đặt bên trong CB

Móc kiểu điện từ có cuộn dây mắc nối tiếp với mạch chính, cuộn dây này được quấn tiết diện lớn chịu dòng tải và ít vòng Khi dòng điện vượt quá trị số cho phép thì phần ứng bị hút và nóc sẽ dập vào khớp rơi tự do, làm tiếp điểm của CB mở ra Điều chỉnh vít để thay đôi lực kháng lò xo, ta

có thể điều chỉnh được trị số dòng điện tức động

Trang 8

b.5 Nguyên lý hoạt động

- Ở trạng thái bình thường sau khi đóng điện, CB được giữ ở trạng thái đóng tiếp điểm nhờ móc 2 khớp với móc 3 cùng một cụm với tiếp điểm động

- Bật CB ở trạng thái ON, với dòng điện định mức nam châm điện 5 và phần ứng 4 không hút

- Khi mạch điện quá tải hay ngắn mạch, lực hút điện từ ởnam châm điện 5 lớn hơn lực lò xo 6 làm cho nam châm điện 5 sẽ hút phần ứng 4 xuống làm bật nhả móc 3, móc 5 được thả tự do, lò xo 1 được thả lỏng, kết quả các tiếp điểm của CB được mở ra, mạch điện bị ngắt

c Contactor

Contactor được cấu tạo gồm các thành phần: Cơ cấu điện từ (nam châm điện), hệ thống dập hồ quang, hệ thống tiếp điểm (tiếp điểm chính và phụ)

c.1 Nam châm điện:

Nam châm điện gồm có 4 thành phần:

- Cuộn dây dùng tạo ra lực hút nam châm

- Lõi sắt (hay mạch từ) của nam châm gồm hai phần: Phần cố định và phần nắp di động Lõi thép nam châm có thểcó dạng EE, EI hay dạng CI

Trang 9

- Lò xo phản lực có tác dụng đẩy phần nắp di động trở về vị trí ban đầu khi ngừng cung cấp điện vào cuộn dây

c.2 Hệ thống dập hồ quang điện:

Khi Contactor chuyển mạch, hồ quang điện sẽ xuất hiện làm các tiếp điểm

bị cháy, mòn dần Vì vậy cần có hệ thống dập hồ quang gồm nhiều vách ngăn làm bằng kim loại đặt cạnh bên hai tiếp điểm tiếp xúc nhau, nhất là ở các tiếp điểm chính của Contactor

c.3 Hệ thống tiếp điểm của Contactor

Hệ thống tiếp điểm liên hệ với phần lõi từ di động qua bộ phận liên động về

cơ Tuỳ theo khả năng tải dẫn qua các tiếp điểm, ta có thể chia các tiếp điểm của Contactor thành hai loại:

- Tiếp điểm chính: Có khả năng cho dòng điện lớn đi qua Tiếp điểm chính

là tiếp điểm thường hở đóng lại khi cấp nguồn vào mạch từ của Contactor làm mạch từ Contactor hút lại

- Tiếp điểm phụ: Có khả năng cho dòng điện đi qua các tiếp điểm nhỏ hơn 5A Tiếp điểm phụ có hai trạng thái: Thường đóng và thường hở

3 Các công việc chính trong thực hiện đề tài

- Khảo sát và thống kê công suất tiêu thụ điện tại Khách sạn Thành Nhân

số 65/7 Đường D2 Quận Bình Thạnh Tp HCM trong thời gian 2 tháng

- Phân tích, so sánh tính kinh tế của hai phương án thiết kế cũ và mới

- Nghiên cứu và vẽ sơ đồ tổng thể việc điều khiển thiết bị đóng cắt hệ thống điện

- Viết chương trình điều khiển hệ thống reley trên PLC

- Tính toán, lắp đặt, kết nối thiết bị trên sa bàn, cân chỉnh các thiết bị để có

sự hoạt động đồng bộ giữa các thiết bị

- Vẽ mạch in, lắp đặt thiết bị điều khiển, kết nối ngõ vào/ra

- Kết nối thiết bị điều khiển và các thiết bị vận hành

Trang 10

II THỰC HIỆN ĐỀ TÀI KHOA HỌC

1 Thống kê số liệu ( Diện tích phòng : 5m X 6m = 30m2 )

a Số liệu sử dụng điện của mỗi phòng trong một ngày trước khi

có kiểm soát

Số giờ sử dụng

Điện năng tiêu thụ

 Điện năng tiêu thụ trong một ngày đêm của cả khách sạn 7 tầng, mỗi tầng 5 phòng trong trường hợp tất cả các phòng được thuê cùng một thời điểm

Điện năng tiêu thụ

Trang 11

7 Máy nước nóng 1 5500 5500 1 5,500

 Điện năng tiêu thụ trong một ngày đêm của cả khách sạn 7 tầng, mỗi tầng 5 phòng sau khi lắp đặt hệ thống kiểm soát trong trường hợp tất

cả các phòng được thuê cùng một thời điểm

Atổng sau = 7 * 5 * Asau = 886.48 kWh

2 Điều khiển bằng PLC

Để điều khiển giám sát PLC, có thể kết hợp giữa các phần mềm sau:

- STEP 7 MicroWin : dùng để viết chương trình để điều khiển PLC

- Chương trình dùng để điều khiển PLC để giám sát hệ thống điện cho khách sạn được viết như sau

Trang 13

• Nếu là Good thì việc liên kết thành công

• Nếu là Bad thì việc liên kết chưa thành công

- Các bước thiết lập chương trình cho PLC với PC Access

• Khởi động PC Access

• Tạo file mới cho PC Access bằng cách click vào File/New hoặc chọn

Save ở màn hình khởi động và đạt tên cho file đó

Trang 14

• Cài đặt cấu hình cho PC Access

• Tạo các Items cho chương trình điều khiển

Trang 15

Chọn File/ Import Symbol Sau đó chọn file đã lập trình để điều khiển

PLC bằng STEP 7 MicroWIN Và chọn Open

Bảng các items sẽ có dạng như sau:

- Tạo giao diện và điều khiển bằng WinCC

Thiết kế giao diện trong Graphics Designer

- Right click vào Graphics Designer/New picture

- Rename lại rồi click double

Trang 16

Lấy các Objects trong vùng đối tượng cần làm thao tác tạo giao diện điều khiển

PLC Và làm tuần tự sau đó sẽ hoàn thành hệ thống điều khiển giám sát PLC

Trang 17

3 Phân tích – so sánh

Tính toán kinh tế - kỹ thuật giữa 2 phương án:

a Phương án 1 : hệ thống điện cho khách sạn như cũ, không được kiểm soát

Hàm chi phí tính toán của một phương án:

Ctt cũ = khqΔVcũ + Cvh cũ

Trong đó :

- ΔVcũ : đầu tư cho việc đại tu bộ phận thiết bị cũ sẽ được thay thế

- Cvh cũ : chi phí vận hành của hệ thống thiết bị cũ

- Khq : hệ số hiệu quả sử dụng thiết bị, thường lấy khq = 0.2

Do chi phí đầu tư cho việc đại tu không đáng kể nên chi phí tính toán của hệ thống cũ trong một năm :

- ΔVmới : vốn đầu tư cho bộ phận thiết bị mới

- ΔVcòn lại : giá trị còn lại của bộ phận thiết bị cũ khi nó được đem đi sử dụng cho mục đích khác

- Cvh mới : chi phí vận hành của hệ thống mới

* ΔVmới được tính như sau:

Trang 18

ΔVmới = Vdây dẫn + Vcontactor + VPLC + V PC + Vmạch điều khiển

- Vdây dẫn là chi phí cho việc đầu tư để mua thêm dây dẫn để cấp điện cho cuộn

dây contactor và hệ thống đèn báo Sau khi tính toán, số lượng dây cần sử

dụng là 200m Chọn loại dây đơn tiết diện 1mm2 (CV-1.00) Giá 1m dây là

Ta nhận thấy tuy phương án 2 phải đầu tư thêm 10.431.000 nhưng chi phí

tính toán thấp hơn rất nhiều so với phương án 1

Số tiền tiết kiệm sau khi thực hiện kiểm soát hệ thống điện bằng PLC trong

năm đầu tiên là:

Trang 20

4 Hình ảnh thực tế trong quá trình thi công mô hình

Trang 23

CHƯƠNG II: KẾT LUẬN

Đây là một đề tài mang tính ứng dụng thực tiễn rất cao Do việc sử dụng điện ở các Biệt thự, khách sạn, văn phòng… còn rất lãng phí Vì vậy việc ứng dụng những kết quả của đề tài này cho việc kiểm soát, tối ưu hệ thống điện cho những khu vực này

là hết sức cần thiết Điều đó mang lại lợi ích rất lớn không chỉ cho những nơi sử dụng điện mà thông qua đó sẽ hạn chế những tổn hao do ý thức sử dụng điện chưa cao của người sử dụng điện Từ đó góp phần vào việc ổn định hệ thống điện và đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia

Bên cạnh việc ứng dụng cho Biệt thự, Khách sạn, Văn phòng cho thuê và nhà cao tầng, các xưởng sản xuất tự động… Đề tài này còn mang tính ứng dụng cao trong công nghiệp Trong các xưởng sản xuất đôi khi người công nhân phải vận hành các thiết bị, máy móc trong một môi trường độc hại, nguy hiểm nên việc ứng dụng đề tài này sẽ góp phần hạn chế tình trạng trên Điều đó sẽ góp phần rất lớn trong việc đảm bảo an toàn vệ sinh lao động, phòng chống cháy nổ

Trang 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Điều khiển lập trình PLC Simatic – Châu Chí Đức – 2009

2 Khí cụ điện – Trường Cao Đẳng Ngoại Ngữ - Công Nghệ Việt Nhật

Trang 26