i

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN NGỌC QUANG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LẬP TRÌNH PLC TỰ ĐỘNG ĐÓNG
MÁY BIẾN ÁP DỰ PHÕNG TẠI PHÕNG THÍ NGHIỆM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN – 2014


THÁI NGUYÊN – 2014
iii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự hƣớng
dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả
nghiên cứu là trung thực và chƣa từng công bố trên các tài liệu khác.

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 2 năm 2014
Học viên Nguyễn Ngọc Quang
thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn
thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng QLĐT sau Đại học, xin chân thành cảm ơn
Ban Giám Hiệu Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện
thuận 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.
Ngƣời thực hiện Nguyễn Ngọc Quang

v

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
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. Phƣơng pháp nghiên cứu 3
4. Những kết quả đạt đƣợc 3
5. Cấu trúc của luận văn 3
1 Chƣơng 1. HIỆN TRẠNG MẠCH TỰ ĐỘNG ĐÓNG MÁY BIẾN ÁP DỰ PHÕNG
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 chƣơng trình điều khiển 69
4.5. Các thao tác lấy kết quả thí nghiệm 78
4.6. Kết luận chƣơng 4 87
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO 89


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 tƣơng 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 chƣơng trình PLC 37
Hình 3.5. Khối Programe Block 38
Hình 3.6. Xóa hoặc đổi tên chƣơng 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 chƣơng trình giữa PLC và máy tính 45
Hình 3.14.
Cấu trúc một bảng dữ liệu
53
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Tự động đóng dự phòng (TĐD) là một trong những biện pháp hữu 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 phải đảm bảo yêu cầu là tác động nhanh và độ tin cậy.
Hiện tại, trong chƣơng trình thí nghiệm của sinh viên chuyên ngành Hệ thống điện
trƣờng đại học Kỹ thuật Công nghiệp vẫn đang thí nghiệm bài Tự động 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 nhƣợc điểm trong đó có vấn đề về độ tin cậy.
Kỹ thuật điều khiển lôgic khả trình PLC (Programmable Logic Control) đƣợc
phát triển từ những năm 1968 -1970. Trong giai đoạn đầu các thiết bị khả trình yêu
cầu ngƣời sử dụng phải có kiến thức về kỹ thuật điện tử trình độ cao. Ngày nay các
thiết 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 nhớ
lập trình đƣợc để lƣu trữ các lệnh và thực hiện các chức năng, chẳng hạn cho phép
tính logic, lập chuỗi, định giờ, đếm, và các thuật toán để điều khiển máy và các quá
trình công nghệ. PLC đƣợc thiết kế cho các kỹ sƣ, không yêu cầu cao về kiến thức
máy tính và ngôn ngữ máy tính. Chúng đƣợc thiết kế cho các nhà kỹ thuật có thể cài
đặt hoặc thay đổi chƣơng trình. Vì vậy, các nhà thiết kế PLC phải lập trình sẵn sao
cho chƣơng trình điều khiển có thể truy nhập bằng cách sử dụng ngôn ngữ đơn giản
(ngôn ngữ điều khiển). Thuật ngữ lôgic đƣợc sử dụng vì việc lập trình chủ yêu liên
quan đến các hoạt động lôgic, ví dụ nếu có các điều kiện A và B thì C làm việc
Ngƣời vận hành nhập chƣơng trình (chuỗi lệnh) vào bộ nhớ PLC. Thiết bị điều
khiển PLC sẽ giám sát các tín hiệu vào và các tín hiệu ra theo chƣơng trình này và
thực hiện các quy tắc điều khiển đã đƣợc lập trình Các PLC tƣơng tự máy tính,
nhƣng máy tính đƣợc tối ƣu hoá cho các tác vụ tính toán và hiển thị, còn PLC đƣợc
chuyên biệt cho các tác vụ điều khiển và môi trƣờng công nghiệp. Vì vậy, các PLC:
2

Tìm hiểu hiện trạng bài thí nghiệm tự động đóng máy biến áp dự phòng tại
trƣờng 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.
3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Đề xuất phƣơng án cải tạo sử dụng S7-200 CPU 224.
Lập chƣơng trình điều khiển để thiết kế mạch điều khiển tự động đóng máy
biến áp dự phòng.
Thiết kế tủ điều khiển, đấu nối máy tính - PLC – tủ điều khiển, chạy chƣơng
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 đƣợc công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, 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 điều khiển lôgic S7-200 CPU
224 của Siemens cũng nhƣ phần mềm lập trình điều khiển. Thực nghiệm trên
thiết bị thực để từ đó hiệu chỉnh lại chƣơng trình, thiết bị cho phù hợp.
4. Những kết quả đạt được
Làm rõ đƣợc vai trò của tự động đóng dự phòng trong hệ thống điện.
Phân tích đƣợc cơ sở thiết kế mạch tự động đóng máy biến áp dự phòng ứng
dụng PLC S7-200.
Thiết kế đƣợc sơ đồ và chƣơng trình điều khiển tự động đóng máy biến áp dự
phòng ứng dụng PLC S7-200 thay thế cho mạch điều khiển dùng rơle điện cơ
đã có trong phòng thí nghiệm.

thứ hai dƣới tác động của TĐD tiếp nhận toàn bộ phụ tải (có thể bị quá tải trong
giới hạn cho phép), nhƣng 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 đƣợc dùng rộng rãi trong các lƣới điện và các hệ thống
năng lƣợng do có sơ đồ đơn giản và tính hiệu quả cao. Trong đề tài này ta chỉ
nghiên cứu tự động đóng dự phòng cho máy biến áp, dùng nguồn thao tác một
chiều.
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, cần
tuân theo những yêu cầu sau đây:
1- Sơ đồ TĐD không đƣợc làm việc trƣớc khi cắt máy cắt của nguồn đang làm
việc, để đề phòng đóng nguồn dự trữ trong lúc nguồn làm việc chƣa bị cắt ra. Thực
hiện yêu cầu này cũng loại trừ khả năng đóng không đồng bộ hai nguồn cung cấp.
5

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
2- Thiết bị TĐD chỉ đƣợc tác động một lần. Để tăng tốc độ cắt của nguồn dự
phòng khi đóng nó vào ngắn mạch chƣa đƣợc giải trừ, ta thƣờng 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 cho
nguồn đang làm việc ra ta phải đặt thêm bộ phận khởi động theo điện áp cực tiểu để
đảm bảo cho sơ đồ TĐD có thể tác động khi mất điện áp trên thanh cái của nguồn
cung cấp đang làm việc.
4- Nếu ở nguồn cung cấp đang làm việc có đặt thiết bị tự động đóng lặp lại và
không cho phép nguồn làm việc và nguồn dự trữ làm việc song song, cần phải đặt
thêm 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

mở ra. Tiếp điểm phụ số 1 của K
1
đóng lại, công tắc tơ U
2
có điện, tiếp điểm U
2-1

đóng lại, cuộn đóng CĐ
2
có điện, đóng hai máy cắt MC
2
lại. Máy biến áp BA
2
đƣợc
đƣa vào làm việc cung cấp điện cho trạm TC
1
và TC
2
. Rơle trung gian TrG1 đảm
bảo nếu xảy ra sự cố sẽ cắt máy cắt MC
1
. TrG2 đảm bảo đóng máy cắt MC
2
.
Nếu máy biến áp BA
2
làm việc, máy biến áp BA1 dự phòng, khi cắt hoặc sự
cố máy biến áp BA
2
thì sơ đồ tác động tƣơng tự.

đứt cầu chì, tiếp điểm rơle đóng lại làm khởi động thiết bị TĐD. Để tránh nhƣợc
điểm đó ngƣời 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, thƣờng dùng
rơle điện áp tăng RU3 đƣợc cung cấp từ máy biến điện áp (BU2) nối với mạch dự
trữ. Nếu nguồn dự trữ có điện thì rơle RU3 sẽ luôn luôn ở trong trạng thái tác động
và TĐD có thể khởi động đƣợc khi mất điện ở nguồn làm việc.
4- Đề phòng sơ đồ TĐD tác động nhiều lần
7

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Sau khi thiết bị TĐD làm việc, máy cắt ở mạch dự trữ đóng lại. Nếu ngắn
mạch trên thanh góp của hộ tiêu thụ không tự tiêu tan thì bảo vệ rơle ở mạch dự trữ
sẽ cắt máy cắt ra, thiết bị TĐD có thể đóng máy cắt lại, chu kỳ đóng máy cắt ở
mạch dự trữ sẽ tiếp tục diễn ra cho tới lúc máy cắt hỏng.
Để tránh tình trạng nêu trên, mạch đóng máy cắt của đƣờng dây dự trữ đƣợc
nối qua bộ phận khoá chống tác động nhiều lần (rơle ThG3 trên hình 1.1).
1.4. Xác định một số tham số của mạch TĐD
1.4.1. Thời gian của rơle ThG2 và ThG4
Khi ngắn mạch ngoài, điện áp dƣ trên thanh góp TC và TC2 có thể giảm
xuống rất thấp làm cho các rơle điện áp RU< khởi động. Muốn TĐD tránh tác động
trong trƣờng hợp này cần phải chọn thời gian của rơle ThG2 và ThG4 lớn hơn thời
gian làm việc của bảo vệ đặt tại máy cắt MC1 và MC2:
t
ThG2
= t

+ t
đóngMC2
(1.3)
8

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
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:
t
ThG3
= t
đóngMC2
+ t
dt
(1.4)
t
ThG5
= t
đóngMC1
+ t
dt
(1.5)
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 vào
ngắn mạch một lần nữa trong trƣờng hợp thời gian của rơle ThG3 và ThG5 chọn
theo (1.4) và (1.5) thoả mãn điều kiện:
t

- thời gian đóng của MC1, MC2.
t
cătMC2,
t
cătMC1
- thời gian cắt của MC1, MC2.
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 lƣờng, các tủ máy cắt, hai máy cắt đƣợc dùng để
cấp điện cho hai máy biến áp hợp bộ 160 – 6/0,4 kV là BA1 và BA2. Sơ đồ bố trí
các thiết bị đƣợc thể hiện trên hình 1.1.
Để thực hiện việc thí nghiệm “Tự động đóng máy biến áp dự phòng” ta sử
dụng một số rơle trong tủ bảo vệ (hình 1.1), các rơle dùng trong mạch bảo vệ này có
sơ đồ đầu nối nhƣ hình 1.1. Máy cắt MC1 để đóng cắt điện cho máy biến áp BA1 và
máy cắt MC2 để đóng cắt điện cho máy biến áp BA2 (hình 1.1).
9

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
1.5.2. Trình tự thao tác thí nghiệm
B1: Kiểm tra vị trí của các thiết bị đóng cắt (MC, DCL….) và tình trạng của
các thiết bị phục vụ theo đúng yêu cầu của bài thí nghiệm.
B2: Thao tác đóng máy biến áp tăng áp bằng các thiết bị đóng cắt đã đƣợc giới
thiệu trong sơ đồ.
B3: Đóng nguồn thao tác cho mạch nhị thứ.
B4: Đóng dao cách ly của tủ đo lƣờng BA1 và BA2.

0
0
t
bvBA2

1,5
2,5
3,5
-
-
-
Cấp chọn lọc thời gian tác động t
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
Tổng thời gian mất điện
2,4
3,4
4,4
0,4
0,35
0,5
10

S húa bi Trung tõm Hc liu
1
4
2
4
2
1
,
,
,
B 1
+
B 1
-
B 2
+
B 2
-
3
1
13
15
14
16
24
22
MC1
BA2
x2 - 32
MC2
K3

H-ớng dẫn
Chức năng Họ và tên Ngày Ký Số bản vẽ: 4 Bản vẽ số: 2
Tr-ờng: ĐHKT Công Nghiệp
Khoa: Điện
Lớp: TBM
Ru1<
Ru2<
Ru3
ThG4
7
9
7
9
7
9
3
8
8
8
7
4
1 1
4
B 1
+
B 1
+
b2
a2
U2

Đóng
B 1
TU1
CĐ1
U1- 1
CC1
+
KĐK 6
4
0
1
1
4
2
4
2
1
,
,
,
B 1
+
B 1
+
B 1
+
B 1
-
B 2
+

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Hình 1.1. Sơ đồ tự động đóng máy biến áp dự phòngSố hóa bởi Trung tâm Học liệu

12

Hình 1.2. Sơ đồ bảo vệ và đóng cắt máy biến áp 1
TrG 1
MC 1
CC1
MC1
MC1
ThG1
RI7
RI8
RI9
RI1
RI2
RI3
RI4
RI5
RI6
m
9
T

9
T
2
m
9
T
3
K1-2
KÐK1
Ðóng K1
ThG1
RU2
RU3
Ð
B + 1
B - 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

13
CC
2

1
3

MC
2B
-
1

1 TrG
2MC2

23
21
Tr¾ng (Më )
§á (§ãng)



ABC0

B
-
2
B
+
2

C§2U2-1

B
+
2
B
-
2


TH5

ThG4
4

K1 -1

ThG3§C

K§K2

I

TrG2

TrG4

TrG4

§ãng
KDK4
22
24

đóng cắt máy biến áp dự phòng còn nhiều hạn chế. Nhƣ tính linh hoạt trong xử lý
đóng cắt chƣa 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 ngƣời và thiết bị
khi vận hành. Xuất phát từ lý do trên ta đi nghiên cứu khả năng ứng dụng của PLC
vào hệ thống đóng cắt dự phòng cho máy biến áp, cũng nhƣ khả năng vận hành một
cách linh hoạt hiệu quả các thiết bị hiện có tại phòng thí nghiệm trƣờng đại học kỹ
thuật công nghiệp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

14
2

Chƣơng 2. TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ
TRÌNH - PLC

2.1. Giới thiệu về PLC
PLC đƣợc phát triển từ những năm 1968 -1970. PLC cho phép thực hiện linh
hoạt các thuật toán điều khiển lôgic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Ngƣời sử
dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này
đƣợc kích hoạt bởi tác nhân kích thích (đầu vào) tác động vào PLC hoặc qua các
hoạt động có trễ nhƣ thời gian định thì hay các sự kiện đƣợc đếm. PLC dùng để
thay thế các mạch rơle trong thực tế. PLC hoạt động theo phƣơng thức quét các
trạng thái đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi
theo. Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic. Hiện nay có
nhiều hãng sản xuất ra PLC nhƣ Siemens, Allen-Bradley, MitsubishiElectric, General
Electric, Omron, Honeywell…
Một khi sự kiện đƣợc kích hoạt thật sự, nó hoạt động trong chế độ ON hay
OFF thiết bị điều khiển bên ngoài đƣợc gọi là thiết bị vật lý. Một bộ điều khiển lập

16
nghiệt đem lại hiệu quả kinh tế cao. Đó là bộ điều khiển lập trình đƣợc, đƣợc chuẩn
hóa theo tiếng Anh là Programmable Logic Controller (PLC).
Hình 2.3 là so sánh giữa PLC với các hệ thống điều khiển khác.

Hình 2.3. Những loại đặc trưng của thiết bị điều khiển
2.1.3. Các chủng loại PLC
Một số PLC đƣợc sử dụng trên thị trƣờng Việt Nam:
- Mỹ: Allen Bradley, General Electric, Square D, Texas Instruments, Cutter
Hammer,…
- Đức: Siemens, Boost, Festo…
- Hàn Quốc: LG
Điều khiển
Với chức năng đƣợc lƣu trữ bằng
Tiếp xúc vật lý
Bộ nhớ khả trình
Quy trình cứng
Quy trình mềm
Không thay đổi
Thay đổi đƣợc
Liên kết cứng
Liên kết phích
cắm
Rơle, linh kiện điện tử, mạch điện
tử, cơ thủy khí
Khả trình tự do
Bộ nhớ thay
đổi đƣợc
RAM-
EEPROM