CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ MÔ HÌNH BẢO VỆ MÁY BIẾN ÁP
4.1. Thiết kế phần cứng
4.1.1. Thiết bị ủiều khiển
Theo yờu cầu ủiều khiển của bài toỏn:
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 64 ðầu vào:
+ Tương tự: cần 4 cổng vào tương tự ( 3 cổng nhận tín hiệu từ thứ cấp biến dòng, 1 cổng nhận tớn hiệu từ cảm biến nhiệt nhiệt ủộ ).
+ Số: 2 ủầu dựng ủể bắt ủầu và dừng chương trỡnh ủiều khiển
ðầu ra: 2 ủầu ra số ủể ủiều khiển cắt và ủúng mỏy cắt, 5 ủầu ủể phỏt ra cỏc tớn hiệu cảnh báo.
Vậy ta lựa chọn thiết bị ủiều khiển là PLC-S7200 CPU 224 vỡ loại này cú số lượng ủầu vào/ra phự hợp với yờu cầu bài toỏn. ðõy là dũng CPU ủược sử dụng rất nhiều hiện nay vỡ tốc ủộ xử lý cao, kết cấu linh hoạt, hỗ trợ truyền thụng mạnh, cú cấp bảo vệ chịu ủược mụi trường cụng nghiệp như rung ủộng, bụi bẩn, cỏc nhiễu từ trường. CPU224 sử dụng nguồn nuôi 24VDC hoặc 100 - 230VAC (dòng tiêu thụ lớn nhất khoảng 110-700mA) nên rất thuận tiện.
CPU 224 bao gồm:
- Bộ nhớ chương trình 8kB - Bộ nhớ dữ liệu 5kB - Tốc ủộ xử lý 0,37às
- 14 cổng vào và 10 cổng ra logic.
- Cú 7 module ủể mở rộng thờm cổng vào/ra bao gồm luụn cả module analog
- Tổng số cổng vào/ra cực ủại là 128 ủầu vào, 128 ủầu ra, 32 ủầu vào tương tự, 32 ủầu ra tương tự
- 256 Timer chia làm 3 loại theo ủộ phõn giải khỏc nhau: 4 Timer 1ms, 16 Timer 10ms và 108 Timer 100ms
- 128 Counter chia làm 2 loại: chỉ ủếm tiến và vừa ủếm tiến vừa ủếm lựi - 688 bit nhớ ủặc biệt dựng ủể thụng bỏo trạng thỏi và ủặt chế ủộ làm việc
- Cỏc chế ủộ ngắt và xử lý ngắt bao gồm: ngắt truyền thụng, ngắt theo sườn lờn hoặc xuống, ngắt thời gian, ngắt của bộ ủếm tốc ủộ cao và ngắt truyền xung
- Kích thước: rộng x cao x sâu = 120 x 80 x 62mm
- Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190 giờ khi PLC bị mất nguồn nuôi, khi có pin có thể lưu tới 200 ngày.
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 65 Hình 4.1. Hình ảnh tổng thể của CPU 224
Các cổng vào ra:
Ix.x (ựèn xanh): đèn xanh ở cổng vào báo hiệu trạng thái tức thời của cổng Ix.x, ủốn này bỏo hiệu trạng thỏi của tớn hiệu theo giỏ trị logic của cổng
Qx.x (ựèn xanh): đèn xanh ở cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời của cổng Qx.x.
ủốn này bỏo hiệu trạng thỏi của tớn hiệu theo giỏ trị logic của cổng
Hỡnh 4.2. Sơ ủồ module 224AC/DC/DC Cỏc ủốn bỏo của PLC gồm:
+ đèn ựỏ SF: báo hiệu hệ thống PLC có sự cố + đèn xanh RUN: báo PLC ựang làm việc
+ đèn vàng STOP: báo PLC ựang ở chế ựộ dừng
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 66 4.1.1.2. Module mở rộng EM231 (nhận tớn hiệu dũng ủiện)
Do tớn hiệu vào PLC ủược lấy từ cỏc biến dũng, mà ủõy lại là cỏc tớn hiệu tương tự. Do vậy ủể CPU cú thể nhận ủược cỏc tớn hiệu này thỡ chỳng phải ủi qua bộ chuyển ủổi D/A ở ủầu vào của module mở rộng. Mặt khỏc việc sử dụng cỏc module mở rộng cũn giỳp ta tăng ủược số lượng cỏc ủầu vào/ra cho PLC.
Hiện nay cú một số loại module mở rộng ủược sử dụng cho S7-200 là cỏc loại thuộc họ EM22x và EM23x, dưới ủõy là bảng liệt kờ sơ bộ thụng số kỹ thuật của cỏc module thuộc họ trên.
Bảng 4.1. Thông số kỹ thuật các module EM22X và EM23X Module Số ủầu
vào Số ủầu ra Tớn hiều vào
Tín hiệu ra
Kích thước Rộng×cao×sâu (mm)
EM221 8 0 24VDC 0 71,2 x 80 x 62
EM222 8 0 0 24VDC 45 x 80 x 62
EM223 4 ÷ 16 4 ÷ 16 24VDC 24VDC (46 ÷173,3) x 80 x 62
EM231 4 0 Analog 0 120,5 x 80 x 62
EM232 0 2 Analog Analog 46 x 80 x 62
EM235 4 1 Analog Analog 120,5 x 80 x 62
Từ yờu cầu ủiều khiển ta chọn module EM231 phục vụ cho mạch ủiều khiển, ủặc biệt ủõy là loại cú cụng suất tiờu thụ rất bộ, khoảng 2W nờn rất tiết kiệm ủiện năng.
Hình 4.4. Cấu trúc của EM231
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 67 Hỡnh 4.5. Sơ ủồ ủấu với EM231
EM231 thực chất là bộ chuyển ủổi tương tự số ADC nhận tớn hiệu dưới dạng tương tự và cho tớn hiệu ra dạng số ủể ủưa vào CPU224. ðược thiết kế ủồng bộ với cỏc thiết bị khỏc trong họ CPU22x, chỳng liờn kết với nhau qua cỏc bus dữ liệu và ủược ủặt trờn giỏ treo DIN phớa bờn phải CPU.
Hỡnh 4.6. Sơ ủồ khối mạch ủầu vào tương tự
Module EM 231 cú 4 ủầu vào analog vị trớ cỏc ngừ vào tương ứng là: AIW0, AIW2, AIW4, AIW6. Tớn hiệu analog là tớn hiệu ủiện ỏp, tuy nhiờn giỏ trị mà AIW ủọc vào khụng phải là giỏ trị ủiện ỏp, mà là giỏ trị ủó ủược quy ủổi tương ứng 16bit
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 68 nhờ bộ chuyển ủổi trong PLC. Trường hợp tớn hiệu vào là ủơn cực, giỏ trị 16 bit cú trị số từ 0 ÷ 32767 tức 0 ÷ (216-1)/2, tương ứng với mức tín hiệu vào từ: 0 ÷ 10V, 0 ÷ 5V hay 0 ÷ 20mA.
Tớn hiệu analog sẽ ủược ủưa vào AIW0, AIW2… tương ứng, tuỳ thuộc vào vị trớ của tớn hiệu ủưa vào module.
ðịnh cấu hình cho module EM231
ðể ủịnh cấu hỡnh cho EM231, ta sử dụng cỏc cụng tắc DIP (SW1, SW2, SW3) ủể xỏc ủịnh ủộ lớn tớn hiệu vào.
Hỡnh 4.7. Bộ ủịnh cấu hỡnh DIP cho module EM231
Việc thiết lập cấu hỡnh phải dựa vào yờu cầu ủiều khiển: dải của tớn hiệu tương tự và bảng chỉnh ủịnh cấu hỡnh:
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 69 Bảng 4.2. Bảng chỉnh ủịnh cấu hỡnh của EM231
Nguồn ủơn cực
SW1 SW2 SW3
ðộ lớn tín
hiệu vào ðộ phân giải
OFF ON 0 ÷ 10V 2,5mV
0 ÷ 5V 1,25mV
ON ON OFF
0 ữ 20mA 5àA
Với yờu cầu ủiều khiển của bài toỏn, ta chỉnh ủịnh cấu hỡnh ủể ủộ phõn giải của 2,5mV.
4.1.1.3. Module EM 231 RTD (nhận tớn hiệu nhiệt ủộ)
ðây là module mở rộng cho phép nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt. Từ yêu cầu kiểm soỏt nhiệt ủộ thựng dầu mỏy biến ỏp ta chọn EM 231 RTD ( mó số 6ES7 231 – 7PB20-0XA0 ). Hình ảnh module EM 231 RTD
Hình 4.8. Hình ảnh module EM231 RTD
Ta phải sử dụng cỏc cụng tắc nhỏ (swiches) DIP ủể lựa chọn loại RTD, cấu hỡnh dõy, dải nhiệt ủộ ủo. Cỏch chọn cấu hỡnh cho RTD:
Hình 4.9. Công tắc lựa chọn cấu hình cho module RTD
Ta cú bảng lựa chọn cấu hỡnh cho RTD: dựng cỏc switches từ 1ữ5 ủể ủịnh cấu hỡnh phự hợp cho RTD. Dựng SW6 ủể chọn hướng ủo nhiệt ủộ:
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 70 Bảng 4.3. Cỏch chọn loại nhiệt ủộ ủo và số dõy nối
Burnout direction SW6
Upscale ( + 3276,7 degrees ) 0
Downscale ( - 3276,8 degrees ) 1
Scale SW7
Celsius 0
Fahrenheit 1
Wiring scheme SW8
3 wire 0
2 or 4 wire 1
Bảng 4.4. Bảng lựa chọn cấu hình cho RTD
Sơ ủồ kết nối cảm biến nhiệt với RTD 2 ủầu vào:
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 71
Hỡnh 4.10. Sơ ủồ kết nối cảm biến nhiệt với RTD 2 ủầu vào Sơ ủồ mạch ủiện của module RTD:
Hỡnh 4.11. Sơ ủồ mạch ủiện RTD Sơ ủồ kết nối RTD tới sensor theo cỏc cỏch khỏc nhau:
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 72 Hỡnh 4.12. Sơ ủồ kết nối RTD với cỏc sensor theo cỏch khỏc nhau
Bộ phận thể hiện trạng thái RTD:
Bảng 4.5. Bảng thể hiện trạng thái RTD
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 73 Bảng 4.6. Dải nhiệt ủộ và ủộ chớnh xỏc ứng với cỏc cấu hỡnh của RTD:
Hỡnh 4.13. Dải nhiệt ủộ và ủộ chớnh xỏc cho RTD
Như vậy module EM 231 RTD cùng với cảm biến nhiệt sẽ giúp ta kiểm soát nhiệt ủộ ở thựng dầu mỏy biến ỏp.
4.1.1.4. Thiết bị vào/ra
Thiết bị vào: Thiết bị ủầu vào của mạch là cỏc tớn hiệu dũng ủiện của mỏy biến dòng, tín hiệu từ cảm biến nhiệt.
- Tớn hiệu dũng ủiện từ mỏy biến dũng: tớn hiệu này rất lớn so với phạm vi của module mở rộng nờn ta sẽ chuyển tớn hiệu dũng thành ỏp ủể dễ dàng cho quỏ trỡnh tớnh toỏn. Mặt khỏc tớn hiệu vào EM231 là ủiện ỏp một chiều, nờn ủiện ỏp này sẽ ủược ủưa qua mạch chỉnh lưu ủể chuyển sang tớn hiệu phự hợp với module mở rộng. Yờu cầu của mạch chỉnh lưu là phải biến ủổi sao cho ủiện ỏp ủầu ra cú ủộ lớn ủỳng bằng ủộ lớn của ủiện ỏp xoay chiều ở ủầu vào.
Như vậy, mạch thứ cấp của TI sẽ ủược mắc nối tiếp với 1 ủiện trở xoay chiều cú ủộ lớn R(Ω), ủiện ỏp rơi trờn R sẽ ủược ủi qua mạch chỉnh lưu. Tớn hiệu vào của EM231 lỳc này sẽ là ủiện ỏp ủầu ra của mạch chỉnh lưu này. Khi ủiện ỏp ra là 10V,
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 74 tương ứng dũng ủiện chạy trong mạch thứ cấp của TI sẽ là 10/R (A). Ngược lại ta cú thể xỏc ủịnh ủược dũng chạy trờn mạch thứ cấp TI khi biết ủiện ỏp rơi trờn ủiện trở R.
Nèi tíi EM231 Cầu chỉnh luu
Hỡnh 4.14. Sơ ủồ nguyờn lý thiết bị vào PLC
Tớnh toỏn giỏ trị ủiện trở R: theo tớnh toỏn bảo vệ cắt nhanh, dũng ủiện lớn nhất khi xảy ra ngắn mạch phớa thứ cấp của biến dũng là 9,85A, suy ra mức ủiện trở R<=
10/9,85 = 1,02Ω, ủể ủảm bảo an toàn ta chọn R là ủiện trở cụng suất cú giỏ trị 1Ω. ðiện trở R ủược chọn yờu cầu phải cú ủộ chớnh xỏc cao, chịu ủược dũng ủiện lớn trong thời gian dài mà khụng ảnh hưởng ủến sự làm việc. Nếu ta chọn ủiện trở cú sai số lớn sẽ dẫn tới dũng mà PLC ủo ủược với dũng thực tế chạy trong mạch cú sai số lớn. ðiều này làm cho PLC ủiều khiển khụng chớnh xỏc cỏc quỏ trỡnh, mạch sẽ khụng thực hiện ủược nhiệm vụ bảo vệ cho ủường dõy.
- Tín hiệu từ cảm biến nhiệt: ta dùng cảm biến nhiệt Pt100. Tín hiệu từ Pt100 sẽ ủược ủưa vào module EM 231 RTD, PLC sẽ lấy dữ liệu từ RTD ủể xử lý và ủưa ra lệnh ủiều khiển thớch hợp.
Thiết bị ủầu ra:
Thiết bị ủầu ra là mỏy cắt hợp bộ, cỏc rơle ủiều khiển cuộn ủúng và cuộn cắt của mỏy cắt, cỏc rơle ủiều khiển tớn hiệu cảnh bỏo sự cố cho mỏy biến ỏp.