4.5.1.Rơle
* Ƣu điểm:
Có khả năng đo lƣờng và có thể nối mạng phục vụ cho điều khiển, giám sát, điều chỉnh tự động từ xa. Ƣu việt rất lớn của rơle số so với các loại rơle khác là khả năng tổ hợp các chức năng bảo vệ rất thuận lợi và rộng lớn, việc trao đổi và xử lý thông tin với khối lƣợng lớn với tốc độ cao làm tăng độ nhạy, đ chính xác, độ tin cậy cũng nhƣ mở rộng tính năng của bảo vệ
Hạn chế đƣợc nhiễu và sai số do việc truyền thông tin bằng số.
Có khả năng tự lập trình đƣợc nên có độ linh hoạt cao, dễ dàng sử dụng cho đối tƣợng bảo vệ khác nhau.
Công suất tiêu thụ nhỏ.
* Nhƣợc điểm:
Giá thành cao nên đòi hỏi phải có vốn đầu tƣ lớn để thay thế các rơle cũ bằng các rơle số.
Đòi hỏi ngƣời vận hành phải có trình độ cao.
Phụ thuộc nhiều vào bên cung cấp hàng trong việc sữa chửa và nâng cấp thiết bị.
4.5.2.Cấu trúc điển hình của rơle số:
Điện áp đầu vào hoặc dòng điện đầu vào của rơle đƣợc lấy qua các BU từ đối tƣợng bảo vệ. Lƣu ý tín hiệu tƣơng tự chỉ chuyển sang tín hiệu số đối với điện áp nên đối với các tín hiệu dòng điện thì trƣớc tiên phải biến đổi nó sang điện áp theo nhiều cách. Ví dụ: cho dòng điện chạy qua một điện trở có giá trị xác định và lấy điện áp trên hai đầu của điện trở đó để biểu diễn dòng điện. Sau đó các tín hiệu này đƣợc l c bằng bộ l c giải mã.
Hoạt động của rơle kỹ thuật số: Tín hiệu từ BI, BU sau khi đƣợc biến đổi thành tín hiệu phù hợp. Các tín hiệu đã đƣợc biến đổi này đƣợc đƣa vào bộ ch n kênh. Bộ xử lý trung tâm sẽ gởi tín hiệu đi mở kênh mong muốn. Đầu ra của bộ ch n kênh đƣa vào bộ biến đổi tƣơng tự -số (ADC) để biến đổi tín hiệu tƣơng tự thành tín hiệu số và đƣa vào bộ vi xử lý. Nguyên lý biến đổi tín hiệu phải thông qua bộ lấy và giữ mẫu
Vì các bộ chuyển đổi tƣơng tự - số (ADC) thƣờng rất đắt nên khi thiết kế ngƣời ta cố gắng tinh giản chỉ sử dụng một bộ ADC trong một rơle số, chính vì lý do đó mà trong bộ vi xử lý có đặt một bộ dồn kênh để lựa ch n các tín hiệu cần thiết cung cấp cho đầu vào các bộ ADC. Vì ADC có thời gian trễ xác định khoảng 25 s nên phải duy trì tín hiệu tƣơng tự ở đầu vào của ADC trong suốt quá trình chuyển đổi từ tƣơng tự sang số. Điều này đƣợc thực hiện bằng bộ khuyếch đại duy trì và lấy mẫu S/H.
Tín hiệu đầu ra của bộ ADC bây giờ có thể biến đổi tùy ý bởi bộ vi xử lý. Nhìn chung trong một rơle số ngƣời ta sử dụng nhiều bộ vi xử lý (để thực hiện các chức năng khác nhau). Ví dụ bộ vi xử lý TMS320 để thực hiện thuật toán của rơle, bộ vi xử lý 80186 để thực hiện các phép toán logic. Bộ vi xử lý đƣợc đƣa vào chế độ làm việc theo chƣơng trình đƣợc cài đặt sẵn trong bộ nhớ ROM, đây là bộ nhớ không thay đổi đƣợc và không bị mất dữ liệu khi bị mất nguồn. Nó so sánh thông tin đầu vào với các giá trị đặt chứa trong bộ nhớ EEPROM (bộ nhớ chỉ đ c, lập trình điện và xóa đƣợc bằng điện). Các phép tính trung gian đƣợc lƣu giữ tạm thời ở bộ nhớ RAM.
Modul nguồn làm nhiệm vụ biến đổi nguồn một chiều thành nhiều nguồn một chiều có cấp điện áp khác nhau để cung cấp cho các chức năng khác nhau của rơle. Đây là bộ biến đổi DC/DC với đầu vào lấy từ acquy, hoặc bộ nguồn chỉnh lƣu lấy điện từ lƣới điện tự dùng của trạm. Vì nguồn cung cấp từ acquy thƣờng không ổn định trong khi rơle số lại rất nhạy đối với sự thăng giáng của điện áp nên trong nội bộ rơle số đã đƣợc tích hợp một nguồn DC phụ có giá trị biến đổi với phạm vi ± 5V hoặc 1V nhằm ổn định nguồn cung cấp cho rơle số.
68
Giao diện của rơle số:
Cấu trúc phần cứng điển hình của một rơle số
Truyền dữ liệu (communication) là điều cần thiết vì ba lý do sau đây: Để dễ dàng cho việc cài đặt các chƣơng trình vào bên trong rơle. Rơle phải trao đổi dữ liệu với các bộ phận đo lƣờng ở xa.
Rơle phải phát ra tín hiệu đi cắt (Trip) và tín hiệu báo động (Alarm) khi có sự cố.
Không giống các rơle điện cơ và các loại rơle tĩnh khác, rơle số hầu nhƣ không cần phải hiệu chỉnh. Việc cài đặt thƣờng thực hiện bằng các chƣơng trình phần mềm từ một máy tính cá nhân hay đƣợc tích hợp trong rơle. Vì lý do đó mà một số loại giao diện đã đƣợc sử dụng để ngƣời dùng trao đổi dữ liệu với rơle.
* Loại 1: Loại này phổ biến đối với các loại rơle số hiện đại có màn hình tinh thể lỏng (LCD) và bàn phím lắp ở mặt trƣớc của rơle. Để nhập các giá trị cài đặt, ngƣời sử dụng phải ấn các phím để hiển thị và thay đổi các giá trị số xuất hiện trên màn hình.
* Loại 2: Sử dụng màn hình hiển thị thông thƣờng (VDU) nối đến rơle số thông qua cổng nối tiếp. Loại giao diện này thƣờng thấy ở các trạm biến áp (để hiển thị sơ đồ vận hành) hoặc đƣợc sử dụng trong sơ đồ kết nối với rơle tại trạm qua modem từ trung tâm điều khiển ở xa để lấy dữ liệu hay cài đặt lại thông số.
Yêu cầu đối với rơle số là phải có phƣơng pháp phát ra tín hiệu đi cắt và tín hiệu báo động thích hợp. Vì các tín hiệu này có dạng mã nhị phân (Binary) cho nên bộ vi xử lý dễ dàng giải mã các địa chỉ. Điều này đƣợc thực hiện bởi khối tín hiệu đầu ra (digital output) trong hình 5.1. Mặc dù công nghệ số đã đƣợc áp dụng trong
bảo vệ rơle nhƣng các tín hiệu cắt và báo động vẫn phải là các tín hiệu tƣơng tự để đƣa đến các rơle điện cơ thực hiện mệnh lệnh.
Môi trƣờng làm việc của rơle:
Trạm biến áp là môi trƣờng điện từ nguy hiểm đối với rơle kỹ thuật số vì nó nằm gần các đƣờng dây cao áp, dao cách ly và máy cắt. Khi có sự cố hay đóng cắt xảy ra điều cần thiết là không cho nhiễu bên ngoài xâm nhập vào rơle làm ảnh hƣởng đến sự làm việc bình thƣờng của nó. Những nhiễu tác động không mong muốn này g i là tác hại điện từ EMI (electromagnetic intefrence).
Có hai nguyên nhân sinh ra EMI trong trạm biến áp là:
Do thao tác đóng cắt đƣờng dây hay xung sét truyền từ ngoài đƣờng dây làm nhiễu tín hiệu điện áp đầu vào của rơle.
Do sét đánh trực tiếp vào thiết bị điện hoặc sóng radio.
Vì bộ vi xử lý làm việc với tốc độ cao nên rơle số dễ bị ảnh hƣởng của EMI. Vì vậy điều bắt buộc khi chế tạo rơle số là nó phải có tính tƣơng hợp điện từ EMC
(Electromagnetic compatibility).Để rơle số đáp ứng đƣợc EMC phải áp dụng các biện pháp thích nghi.
Các rơle điện cơ không chịu ảnh hƣởng của EMC, do đó việc dùng rơle số cũng gặp những trở ngại nhất định bên cạnh những ƣu điểm của nó.
4.5.3. Dùng PCL
PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình đƣợc (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic 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 (ngõ 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 mach relay (rơ le) trong thực tế. PLC hoạt động theo phƣơng thức quét các trạng thái trên 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, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron, Honeywell... Một khi sự kiện đƣợc kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài đƣợc g i là thiết bị vật lý. Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục "lặp" trong chƣơng trình do "ngƣời sử dụng lập ra" chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình.
Để khắc phục những nhƣợc điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiển bằng Relay) ngƣời ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau:
70 - G n nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa.
- Dung lƣợng bộ nhớ lớn để có thể chứa đƣợc những chƣơng trình phức tạp. - Hoàn toàn tin cậy trong môi trƣờng công nghiệp.
- Giao tiếp đƣợc với các thiết bị thông minh khác nhƣ: máy tính, nối mạng, các môi Modul mở rộng.
- Giá cả cá thể cạnh tranh đƣợc.
Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối và các Logic thời gian.Tuy nhiên,bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cƣờng dung lƣợng nhớ và tính dễ dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng nhƣ giá cả … Chính điều này đã gây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp. Các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch … sau đó là các chức năng làm toán trên các máy lớn … Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lƣợng lớn, số lƣợng I / O nhiều hơn. Trong PLC, phần cứng CPU và chƣơng trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển hoặc xử lý hệ thống. Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ đƣợc xác định bởi một chƣơng trình. Chƣơng trình này đƣợc nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vào chƣơng trình này. Nhƣ vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của qui trình công nghệ, ta chỉ cần thay đổi chƣơng trình bên trong bộ nhớ của PLC. Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ đƣợc thực hiện một cách dễ dàng mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so với sử dụng các bộ dây nối hay Relay.
Cấu trúc
Tất cả các PLC đều có thành phần chính là: Một bộ nhớ chƣơng trình RAM bên trong (có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM). Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC. Các Modul vào /ra.
Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm một đơn vị lập trình bằng tay hay bằng máy tính. Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM để chứa đựng chƣơng trình dƣới dạng hoàn thiện hay bổ sung. Nếu đơn vị lập trình là đơn vị xách tay, RAM thƣờng là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chƣơng trình đã đƣợc kiểm tra và sẵn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC. Đối với các PLC lớn thƣờng lập trình trên máy tính nhằm hỗ trợ cho việc viết, đ c và kiểm tra chƣơng trình. Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS485, …
Nguyên lý hoạt động của PLC
CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đ c và kiểm tra chƣơng trình đƣợc chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong
chƣơng trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy đƣợc phát tới các thiết bị liên kết để thực thi. Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chƣơng trình điều khiển đƣợc giữ trong bộ nhớ.
Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đƣờng tín hiệu song song:
Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau. Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu.
Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC.
Trong PLC các số liệu đƣợc trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra thông qua Data Bus. Address Bus và Data Bus gồm 8 đƣờng, ở cùng thời điểm cho phép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song.
Nếu một modul đầu vào nhận đƣợc địa chỉ của nó trên Address Bus, nó sẽ chuyển tất cả trạnh thái đầu vào của nó vào Data Bus. Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trên Address Bus, modul đầu ra tƣơng ứng sẽ nhận đƣợc dữ liệu từ Data bus. Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động của PLC. Các địa chỉ và số liệu đƣợc chuyển lên các Bus tƣơng ứng trong một thời gian hạn chế.
Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O. Bên cạch đó, CPU đƣợc cung cấp một xung Clock có tần số từ 1¸8 MHZ. Xung này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống.
Bộ nhớ
PLC thƣờng yêu cầu bộ nhớ trong các trƣờng hợp: Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O. Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC nhƣ định thời, đếm, ghi các Relay.
Mỗi lệnh của chƣơng trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả m i vị trí trong bộ nhớ đều đƣợc đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ. Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ đƣợc trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong bộ vi xử lý. Bộ vi xử lý sẽ giá trị trong bộ đếm này lên một trƣớc khi xử lý lệnh tiếp theo. Với một địa chỉ mới, nội dung của ô nhớ tƣơng ứng sẽ xuất hiện ở đầu ra, quá trình này đƣợc g i là quá trình đ c.
Bộ nhớ bên trong PLC đƣợc tạo bởi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này có khả năng chứa 2.000 - 16.000 dòng lệnh, tùy theo loại vi mạch. Trong PLC các bộ nhớ nhƣ RAM, EPROM đều đƣợc sử dụng.
72 RAM (Random Access Memory) có thể nạp chƣơng trình, thay đổi hay xóa bỏ nội dung bất kỳ lúc nào. Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất. Để tránh tình trạng này các PLC đều đƣợc trang bị một pin khô, có khả năng cung cấp năng lƣợng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm. Trong thực tế RAM đƣợc dùng để khởi tạo và kiểm tra chƣơng trình. Khuynh hƣớng hiện nay dùng CMOS-RAM nhờ khả năng tiêu thụ thấp và tuổi th lớn.
EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) là bộ nhớ mà ngƣời sử dụng bình thƣờng chỉ có thể đ c chứ không ghi nội dung vào đƣợc. Nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn, nó đƣợc gắn sẵn trong máy, đã đƣợc nhà sản xuất nạp và chứa hệ điều hành sẵn. Nếu ngƣời sử dụng không muốn mở rộng bộ nhớ thì chỉ dùng thêm EPROM gắn bên trong PLC. Trên PG (Programer) có sẵn chỗ ghi và xóa EPROM.
EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) liên kết với những truy xuất linh động của RAM và có tính ổn định. Nội dung của nó có thể đƣợc xóa và lập trình lại, tuy nhiên số lần lƣu sửa nội dung là có giới hạn.
Môi trƣờng ghi dữ liệu thứ tƣ là đĩa cứng hoặc đĩa mềm, đƣợc sử dụng trong máy lập trình. Đĩa cứng hoặc đĩa mềm có dung lƣợng lớn nên thƣờng đƣợc dùng để lƣu những chƣơng trình lớn trong một thời gian dài.
Kích thƣớc bộ nhớ:
Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 -1.000 dòng lệnh tùy vào công nghệ chế tạo.
Các PLC loại lớn có kích thƣớc từ 1K - 16K, có khả năng chứa từ 2.000 -16.000 dòng lệnh.
Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng nhƣ RAM, EPROM.