Thực hiện bộ chuyển nguồn tự động ATS bằng PLC S7 400

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nhu cầu sử dụng điện năng, thiết bị điện ngày sử dụng rộng rãi lĩnh vực sống Khả tự động hố q trình ngày quan tâm đặt lên hàng đầu.Trong số lĩnh vực công nghiệp hay dân dụng nhu cầu cung cấp điện cần phải đảm bảo liên tục suốt trình hoạt động q trình.Nó đảm bảo q trình sản xuất lien tục đem lại chất lượng sản phẩm Đặc biệt đem lai độ an tồn cho tính mạng người, an toàn thiết bị tiêu thụ điện Do điề khiển ATS giải vấn đề trên,nó mắt xích quan trọng hệ thống cung cấp điện cho hộ phụ tải loại Nay em nhận đề tài :” Thực chuyển nguồn tự động ATS PLC S7-400 “ Được giúp thầy giáo ThS Đặng Hồng Hải ,kết hợp với kiến thức học em xin trình bày nội dung đồ án tốt nghiệp gồm chương sau Chương 1: Nghiên cứu cấu trúc phần cứng PLC S7 400 Chương 2: Nghiên cứu cấu trúc phần mềm PLC S7 400 Chương 3: Nghiên cứu điều khiển ATS Sinh viên thực CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PLC S7 400 1.1 TỔNG QUÁT CHUNG VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC PLC Thiết bị điều khiển logic khả trình Programmable Logic Controller), viết tắt PLC hệ vi xử lý chuyên dụng để điều khiển tự động thiết bị điện q trình cơng nghiệp Trong hệ thống điều khiển, PLC khâu trung gian việc xử lý thơng tin đưa tín hiệu tới thiết bị chấp hành Ngày thiết bị điều khiển thay hệ điều khiển rơ le thông thường, sử dụng bán dẫn điều khiển lập trình Ưu điểm: - Giảm bớt trình ghép nối dây mà giảm giá thành đầu tư - Giảm diện tích lắp đặt, it xảy hỏng hóc, làm việc tin cậy, tốc độ xử lý nhanh, khả chống nhiễu tốt, bảo trì bảo dưỡng tốt cấu trúc theo kiểu môdul Nhược điểm : - Chưa thích hợp cho q trình nhỏ có vài tín hiệu vào dung giá thành cao - Ngơn ngữ hệ đóng ( ngơn ngữ hãng riêng ) nên khó thay Để có chức điều khiển PLC đóng vai trị máy tính tức phải có vi xử lý (CPU),hệ điều hành, nhớ cổng vào để giao tiếp với đối tưọng khác Bên cạnh PLC cịn có khối với chức đặc biệt đếm (counter), thời gian (timer) khối hàm chuyên dụng Bộ nhớ chương trình Timer Khối vi xử lý trung tâm + Hệ điều hành Bộ đệm Vào Bộ đếm Bit cờ Bus PLC Cổng vào onboard Quản lý ghép nối Cổng ngắt đếm tốc độ cao Hình 1.1: Cấu trúc PLC 1.2 Giới thiệu PLC S7-400 PLC S7-400 sản phẩm PLC mạnh, tố cao độ xứ lý cao, quản lý nhớ tốt, kết nối mạng cơng nghiệp ề tính S7-400 có nhiều tính so với S7-300 Đặc biệt tính truyền thông -Tốc độ xử lý: Tốc độ nhanh, tốc độ xử lý lệnh nhanh lên tới 0.1 tới 0.2µs, chu kỳ vịng qt nhỏ Tập lênh mạnh hoàn chỉnh đáp ứng nhiệm vụ phức tạp Có thẻ nhớ (MMC- flash Eproom) đế mở rộng nhớ backup liệu - Truyền thông: S7-400 sử dụng mạng truyền thông sau INDUSTRIAL ERTHERNET cho cấp giám sát, PROFIBUS cho cấp trường, AS-I cảm biến thiết bị chấp hành , MPI nối giũa thiết bị CPU, PG/PC, TD/TO Sử dụng loại hinh mạng điểm-điểm bus truyền thơng qua giao diện tích hợp bus trường sử dụng CPU IM ( modul giao diện FM, CP ) - Giao diện MPI: MPI giao diện để tích hợp hệ thống PG/PC, HMI với hệ thống SIMATIC S7/C7/WinAC, nối tối đa tới 125 điểm MPI với tốc độ truyền tới 187.5Kbit/s.Thơng qua MPI mà ta truyền liệu điều khiển với nhau, có nghĩa CPU truy cập tới nhiều đầu vào khác điều khiển khác Ngồi HM cịn tích hợp hệ điều hành S7-400 truyền liệu tới tram vận hành mà khơng cần lập trình giúp điều khiển vận hành giao diện - Giao diện PROFIBUS – DP: S7-400 nối vào bus trường PROFIBUS dễ dàng tạo chương trình phân tán giúp truyền thông với thiết bị trường Các modul vao phân tán thiết lập STEP7 tương tự modul vào tập chung, S7-400 sử dụng làm trạm master hay slave - Tính chia sẻ: Có thể điều khiển giám sát lập trình thơng qua giao diện (MPI PD ) ví dụ cho thiết bị PG lập trình vận hành cho nhiều CPU nhiều thiết bị PG truy cập CPU - Giao diện phụ: Ngồi giao diện MPI,DP, S7-400 cịn có them số cổng serial(PtP-Point to Point), nối máy quét Đây giao diện RS422/RS485 co phép tốc độ truyền 38.4Kbit/s Một số CPU có cấu trúc đầu vào đặc biệt để đếm đo lường máy phát xung, có chức tích hợp để điều khiển vị trí với đầu vào đặc biệt 1.2.1 Cấu trúc phần cứng PLC S7-400 Thông thường để tăng tính mềm dẻo thực tế mà phần lớn đối tượng điều khiển có số tín hiệu vào chủng loại tín hieuụ vào khác mà ộ điều khiển PLC khơng bị cứng hố cấu Hình 1.2 Cấu hình PLC S7-400 hình Chúng chia nhỏ thành mơdul.Số modul sử dụng nhiều hay tuỳ thuộc vào cơng nghệ, song có modul modul CPU , modul cịn lại modul truyền nhận tín hiệu đối tượng điều khiển, modul chức chuyên dụng PID, điều khiển động Chúng gọi modul mở rộng bố trí giá đỡ gọi Rack Bất kì trạm PLC có thành phần sau: 1- Các RACK 2- Môdul nguồn cấp 3- Trung tâm vi xử lý CPU 4- Các môdul mở rộng vào 5- Các modul truyền thơng Ngồi cịn có công tắc chọn chế độ làm việc đền báo hiệu LED dung để báo trạng thái hành PLC 1.2.1.1.Các RACK (giá đỡ) Đó khung khí SIMATIC S7-400 dùng để bảo vệ modul, cung cấp điện áp nguồn kết nối modul qua bus nội a Giá lắp trung tâm + Dùng cho điều khiển trung tâm + Dùng cho công việc tự động hoá phân tán qua hỗ trợ modul + Dùng để tạo hệ thống S7-400 H hồn chỉnh giá đỡ đơn + Thích hợp cho S7-400: vận hành 2CPU rieng biệt với CPU đầu vào riêng CPU + Cũng co thể dung giá mở rộng + Dùng cho tối đa 18 modul Giá lắp S7-400 ray nhơm chuẩn DIN có chiều dài cố định với bus giắc nối phía sau làm giá lắp trung tâm (CR) giá lắp mở rộng (ER) kêt hợp hai (UR , giá lắp vạn năng) Gía lắp trung tâm S7-400 cá 18 19 vị trí mơdul (UR1 UR2) với chiều rộng định Nguồn cung cấp CPU cững cắm khe cắm dùng tới vị trí cho mơdul Thơng thường modul nguồn lắp vào tận bên trái giá lắp, CPU modul vào Có thể lựa chọn vị trí theo u cầu Các modul khơng cần thiết phai cắm gần nhau, có khoảng cắm gữa Các modul giao tiếp dung để kết nối với giá lắp mở rộng lắp chèn vào bên phải giá lắp Các vị trí modul kết nối với bus phía sau đường trục vào đấu song song đường trục truyền liệu đầu nối tiếp Giá lắp phân đoạn cho phép sử dụng CPU nguồn cung cấp chung Các CPU trao đổi liệu qua đường trục truyền liệu, CPU lại sử dụng đường BUS tín hiệu vào Phân đoạn bên trái cho 10 modul vào phân đoạn bên phải cho Giá lắp phân đoạn UR2-H gồm có hai phân đoạn, phân đoạn gồm có khe cắm Có thể dung giá lắp giá lắp trung tâm giá lắp mở rộng cho trạm S7-400 tiêu chuẩn cá trạm cao cấp S7-400H Mỗi phân đoạn đòi hỏi nguồn cung cấp riêng, đường trục truyền tín hiệu vào liệu riêng biệt UR1( giá chung ) + Dùng cho CPU thiết bị mở rộng + Dùng cho tối đa 18 mơdul + Ngồi thích hợp với S7 400 UR2 ( giá chung ) + Dùng cho c ác CPU thiết bị mở rộng + Dùng tối đa cho môdul + Cũng thích hợp cho S7-400 Hinh 1.3 Cấu hình Rack PLC S7-400 CR2 ( giá trung t âm ) + Dùng cho CPU + Tối đa 18 modul + Các rack phân chia:Dùng cho CPU S7-400 hoạt động rack độc lập chế độ nhiều máy tính S7-400, có truyền thong CPU thong qua BUS nội Cả CPU định địa cục , mơ dul vào tách rời b Gía lắp mở rộng Nếu số lượng vị trí cho modul vào giá lắp trung tâm không đủ cân phải lắp đặt số modul lắp xa vị trí modul trung tâm, ta phai sử dụng vài giá lắp mở rộng kêt nối chúng vơi giá lắp trung tâm modul giao tiếp IM Có thể nối nhiều 21 giá lắp mở rộng vào giá lắp trung tâm Địa giá lắp đặt phím modul Modul giao tiếp IM phải lắp đặt cực phải giá nở rộng Các modul giao tiếp IM460-1và IM 461-1 cho phép lắp đặt giá lắp mở rộng , modul giá lắp, cách giá lắp trung tâm khoảng 1,5 m Nguồn cung cấp điện áp 5V Các modul giao tiếp IM 360-1 IM 362-0 cho phép lắp tới giá lắp mở rộng, cách giá lắp trung tâm khoảng 3m Với khoảng cách xa hơn, tới 100m dung môdul IM 360-3 IM 31-3, kết nối với giá lắp mở rộng Các giá lắp mở rộng ER1 ER2 tới 18 19 khe cắm , dung cho modul tín hiệu đơn giản khơng có xử lý báo động , khơng địi hỏi nguồn 24v chiều lẫn nguồn dự phịng khơng giao tiếp đường trục truyền liệu Gía lắp UR2 UR1 cá hai đường BUS sử dụng H ình 1.4 Quạt làm mát giá lắp trung tâm mở rộng với số ký hiệu từ đến Quạt làm mát + Dùng cho SIMATIC S7-400 + Cần thiết sử dụng modul phát lượng nhiệt lớn Bộ quạt làm mát dung cho tất giá với điện áp nguồn 24VDC 120/230 VAC, có 10 lọc bụi 1.2.1.2 Trung tâm vi xử lý CPU CPU khối vi xử lý thầnh phần S7 400 nơi xử lý mợi thông tin hệ thống, nhận thơng tin đưa sử dụng thuật tốn điều khiển để đưa tín hiệu phù hợp Là modul có chứa vi xử lý, hệ điều hành, nhớ,các Hình 1.4 Cấu hình modul CPU thời gian, đếmcác cổng truyền thơng có số cổng vào số gọi cổng vào onboard.Trong trị số đếm chứa nhớ ứng dụng, tuỳ theo yêu cầu người dùng mà chọn nhớ sau - Bộ nhớ ROM nhớ thay đổi được, nhớ nạp vào lần nên sử dụng phổ biến nhớ khác - Bộ nhớ RAM loại nhớ thay đổi dùng để chứa chương trình ứng dụng liệu, liệu bị mất điện Tuy nhiên điều khắc phục cách ta dùng Pin dự phòng - Bộ nhớ EPROM nhớ ROM, nguồn nuôi cho EPROM không cần nguồn Pin, nhiên nội dung chứa xố cách ta chiếu tia cực tím vào cửa sổ nhỏ EPROM nạp lại nội dung máy nạp chuyên dụng - Bộ nhớ EEPROM nhớ tích hợp hai ưu điểm nhớ ROM EEPROM xố nạp tín hiệu điện.Tuy nhiên số lần nạp có giới hạn Cấu trúc CPU bao gồm thành phần sau: + Khối đèn LED hiển thị trạng thái trạng thái lỗi + Các công tắc chọn chế độ + Khe cắm thẻ nhớ mở rộng + Các cổng truyền thông( giao diện ) + Khối nguồn pin dự phòng Phân loại CPU bao gồm loại sau: CPU 412-1,412-2,CPU 414-2,414-3,CPU 416-3,416-2,CPU 417-4,CPU 41X PN/DP … vv Tương ứng với loai CPU ta có cấu trúc cụ thể sau: Cấu trúc CPU loại 41x-2 gồm có a)Khối đèn LED: bao gồm đèn INTF, EXTF, BUS1F, BUS2F,FRCE, MAINT, RUN, STOP b) Khe cắm thẻ nhớ mở rộng c) Cổng truyền thơng có cổng chính: - Cổng MPI/PROFIBUS - Cổng PROFIBUS DP d) Khe cắm dành cho môdul giao diện e) Cơng tắc chọn Hình 1.5 Cấu hinh phần cứng CPU 41x2 Cấu trúc CPU loại 417-4 gồm có : a)Khối đèn LED: bao gồm đèn INTF, EXTF, BUS1F, BUS2F, IFM1F, IFM2F, FRCE, MAINT, RUN, STOP b) Khe cắm thẻ nhớ mở rộng c) Cổng truyền thơng có cổng chính: - Cổng MPI/PROFIBUS - Cổng PROFIBUS DP d) Khe cắm dành cho môdul giao diện Hình 1.6 Cấu hình phần cứng e) Cơng tắc chọn chế độ CPU 417-4 RUN, STOP, RE: Cấu trúc CPU loại 41x -3 gồm có : a) Khối đèn LED: bao gồm đèn INTF, EXTF, BUS1F, BUS2F, IFM1F, IFM2F,FRCE, MAINT, RUN, STOP, LINK, RX/TX b) Khe cắm thẻ nhớ mở rộng c) Cổng truyền thông cổng MPI/PROFIBUS d) Khe cắm dành cho môdul giao diện e) Công tắc chọn chế độ RUN, STOP, RESET Hình 1.8 Cấu hình phần cứng CPU 41x-3 PN/DP 10 Cấu hinh CPU 41x-3 PN/D 3.5.4.Thuật toán điều khiển a) Khi chưa sử dụng máy phát điện Bắt đầu Đóng nguồn Yes No U1=1? T2 Ma = Mb = T1 No Yes U2=1? T4 T3 Ma = Mb = Kết thúc 92 Ma = Mb = Cảnh báo b) Khi sử dụng máy phát điện làm nguồn dự phòng Bắt đầu Đóng nguồn Yes No U1=1 ? T2 T1 No Yes đề ? Ma=1 Mb=0 T3 Yes T4 No U2,F2 = 1? T6 T5 Ma= Mb=0 Ma=0 Mb=1 Cảnh báo kết thúc 93 Qui ước : U1 = 1: Tín hiệu điện áp phía nguồn đạt yêu cầu U2 = 1: Tín hiệu diện áp nguồn phụ đạt yêu cầu Ma = 1: Contactor A đóng mạch cho tải Ma = 0: Contactor ngắt tải khỏi nguồn Mb = 1: Contactor B đóng nguồn cho tải Mb = 0: Contactor B ngắt tải khỏi nguồn F2 = 1: Tần số máy điện đạt yêu cầu 3.5.5.Chương trình điều khiển D ạng STL a) Khi nguồn phụ máy phát điện xoay chiều Network 1: start/stop i0.0: start i0.1: stop i0.2: dung khan cap A I = 0.0 L 20.0 A L 20.0 BLD 102 S M 0.0 A L 20.0 ON I 0.1 O M 1.6 I 0.2 M 0.0 A( ) AN R Network 2: so sanh tin hieu ap i0.3: tin hieu vao ap A M A I 0.0 0.3 94 A( L MW 100 L MW 102 ==I ) =M0.1 Network 3: tao thoi gian tre A M L 0.1 S5T#3S SE T A I 0.7 R T L T T MW 100 LC T T MW 102 A T = M 0.2 Network 3: dong contactor A A M 0.2 AN Q 0.1 = Q 0.0 = Q 0.3 Network 4: san sang de may phat AN M L 0.1 S5T#6S SET A I 0.7 R T L T T MW 100 LC T T MW 102 A T 95 = M 0.3 Network 5: de may phat lan A M 0.3 AN Q 0.2 S M 0.4 Network 6: san sang de may phat lan2 A M L 0.4 S5T#3S SET A I 0.7 R T L T T MW 100 LC T T MW 102 A T = M 0.5 Network 7: de may phat lan A M 0.5 AN Q 0.2 S M 0.6 R M 0.4 Network 8: san sang de may phat lan A Q L 0.6 S5T#3S SET A I 0.7 R T L T T MW 100 LC T T MW 102 A T = M 0.7 96 Network 9: de may phat lan A M 0.7 AN Q 0.2 S M 1.0 R M 0.6 Network 10: chuong canh bao A M 1.0 AN Q = 0.2 L 20.0 A L 20.0 BLD 102 = Q 0.5 A L 20.0 L S5T#4S SET A I 0.7 R T L T T MW 100 LC T T MW 102 A T = M 1.1 Network 11: reset he thong A M 1.1 R M 1.0 R M 0.0 Network 12: tin hieu de may phat cong OM0.4 O M 0.6 O M 1.0 = Q 0.2 A Q L 0.2 S5T#6S 97 SE T A I 0.7 R T L T T MW 100 LC T T MW 102 A T = M 1.2 Network 13: so sanh ap va tan so A M 1.2 = L 20.0 A L 20.0 A I 0.4 A( L MW 100 L MW 102 ==I ) = M 1.3 A L 20.0 A I 0.5 A( L MW 100 L MW 102 ==I ) =M1.4 Network 14: san sang dong contactor B A M 1.4 A M L S5T#3S 1.3 SET AI0.7 98 R T L T T MW 100 LC T T MW 102 A T = M 1.5 Network 15: dong contactor B A M 1.5 AN Q 0.0 AN M 1.6 = Q 0.1 = Q 0.4 Network 16: dung toan bo he thong may phat ko dat yeu cau A( ON M 1.3 ON M 1.4 ) L S5T#3S SET A I 0.7 R T L T T MW 100 LC T T MW 102 A T = M 1.6 b) Khi nguồn phụ lưới điện khác máy phát Network 1: khoi dong 99 i0.0: khoi dong i0.1: stop i0.2: dung khan cap A( O I 0.0 O M 0.0 AN I 0.1 AN I 0.2 = 0.0 ) M Network 2: so sanh ap tin hieu ap A M 0.0 A I 0.3 A( L MW 100 L MW 102 ==I ) =M0.1 Network 3: san sang dong nguon chinh A M L 0.1 S5T#3S SET A Q 0.5 R T L T T MW 100 100 LC T T MW 102 A T = M 0.2 Network 4: dong nguon chinh A M 0.2 AN Q 0.1 = Q 0.0 = Q 0.3 Network 5: so sanh ap nguon phu i0.4: tin hieu ap AN Q A 0.0 I 0.4 A( L MW 100 L MW 102 ==I ) =M0.3 Network 6: san samg dong nguon phu A M L 0.3 S5T#3S SET A Q 0.5 R T L T T MW 100 LCT2 101 T MW 102 A T = M 0.4 Network 7: dong nguon phu A M 0.4 AN Q 0.0 = Q 0.1 = Q 0.4 Network 7: canh bao q0.0: nguon chinh q0.1: nguon phu A Q 0.0 A Q 0.1 = Q 0.5 102 KẾT LUẬN Trong khoảng thời gian 12 tuần làm đề tài, khơng phải khoảng thời gian dài để em tổng hợp kiến thức mà thầy, cô truyền đạt suốt khố học Nhưng khoảng thời gian cho em tìm hiểu tiếp thu kiến thức sau - Tìm hiểu điều khiển PLC S7 400, phần cứng phần mềm, từ rút ưu nhược điểm so với PLC trước PLC khác.Khả ứng dụng u cầu cơng nghệ - Tìm hiểu điều khiển ATS, ứng dụng vai trị đời sống thực tế.Hiểu cấu trúc bản, nguyên lý làm việc - Kết hợp ứng dụng PLC vào ATS để đưa chương trình điều khiển hợp lý Do kiến thức lý thuyết cịn nhiều hạn chế, kinh nghiệm ngồi thực tế chưa có có cố gắng, đề tài lạ so với em Do mà em tránh thiếu sót, mong đóng góp ý kiến thầy cô bạn Qua em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Điện dìu dắt bảo truyền đạt kiến thức quí báu cho chúng em suốt thời gian khoá học Đặt biệt thầy giáo Ths Đặng Hồng Hải, tận tình giúp đỡ em suốt thời gian làm đề tài để em hoàn thành đồ án theo yêu cầu nội dung thời gian dã đặt Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Đồng Văn Hinh 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1- Bộ điều khiển ATS controller – Control Co.,Ltd -2008 2- Tài liệu hướng dẫn sử dụng ATS – RMT Co.,Ltd Tel: (04)3722-2778 Fax: (04)3722-2778 3- Tài liệu “ SIMATIC S7-400 AND M7-400 PROGRAMMABLE CONTROLLERS – HARD WARE AND INSTALLTION” – Hãng SIEMEN 4- Tài liệu “ PROUCS FOR TOTALLY INTEGRATED AUTOMATION AND MICROAUTOMATION – CATALOG ST70 - 2009” – Hãng SIEMEN 5- http//.www.tài liệu.vn 6- http//.support.automation.siemen.com 104 MỤC LỤC Trang Tiêu đề……………………………… ………………………………… Mục lục………………………………………………………………… Lời mở đầu………………………………………………… ………… Chương :Tổng quan PLC S7-400 1.1.Tổng quan điều khiển logic PLC 1.2.Gíơi thiệu PLC S7-400 1.2.1.Cấu trúc phần cứng PLC S7-400 1.2.1.1 Các rack 1.2.1.2 Trung tâm vử lý CPU 1.2.1.3 Môdul nguồn PS 17 1.2.1.4 Môdul mở rộng vào số 25 1.2.1.5 Môdul mở rộng vào tương tự 30 Chương :Cấu trúc phần mềm PLC S7-400 2.1 Phân chia nhớ 35 2.2 Vòng quét chương trình 36 2.3 Cấu truc chương trình 37 2.4 Ngơn ngữ lập trình 40 2.5 Câu lệnh phần mềm PLC S7-400 41 Chương 3:Nghiên cứu chuyển nguồn tự động ATS 3.1 Khái quát chung 73 3.2 Phân loại nguyên lý hoạt động điều khiển ATS .74 3.3 Cấu trúc ATS 76 3.4 Đi sâu tìm hiểu điều khiển ATS điển hình 78 3.5 Chương trình điều khiển 84 3.5.1 Sơ đồ kêt nối contactor 84 105 3.5.2 Nguyên lý làm việc 86 3.5.3 Bảng thống kê đầu vào lựa chọn cấu hình phần cứng PLC 88 3.5.4 Thuật toán điều khiển 92 3.5.5 Chương trình điều khiển 94 Kết luận 102 Tài liệu tham khảo 104 Phụ lục 105 106 ... tra nguồn áp Lỗi bê , sai sót Thay nguồn nguồn DLD Bị cắt nguồn sau Cắt mạch nguồn qúa áp 5v bị cắt đóng vào sau phoảng nguồn không cho phút cần thiêt loại bỏ phép nguồn kết nối bên ngồi Bộ nguồn. .. modul nguồn xảy bị lỗi 18 - Nếu có modul nguồn chèn vào mà có modul bật nguồn, việc cung cấp xảy trễ ta bật nguồn lên Bộ nguồn có pin dự phịng Modul nguồn S7-400 có buồng ngăn dung đẻ chứa pin dùng... hình modul nguồn dự phòng Để đặt modul nguồn ghép nối nguồn khe khe giá đỡ ta đưa vào nhiều modul cấp nguồn modul nguồn Nói cách khác thao tác tấ cá modul đưa giá trị có dịng tổng 10A Bộ nguồn có