L ỜI CẢM ƠN
3.2 Sơ lược về PLC S7-200 của Siemens
PLC S7-200 là một loại PLC cỡ nhỏ của công ty Siemens. Cấu trúc S7-200 gồm 1 CPU và các module mở rộng cho nhiều ứng dụng khác nhau. S7-200 gồm nhiều loại: CPU 221, 222, 224, 226….có nhiều nhất 7 module mở rộng khi có nhu cầu: tổng số ngõ vào/ra, ngõ vào/ra Analog, kết nối mạng (AS-I, Profibus).
Hình 3.2: Tổng quát một PLC S7-200.
51 Các đèn báo: Có 3 loại đèn báo hoạt động - RUN: đèn xanh báo hiệu PLC đang hoạt động.
- STOP: đèn vàng báo hiệu PLC đang không hoạt động (dừng). - SF (System Failure): đèn đỏ báo hiệu PLC đang bị sự cố. Có 2 loại đèn chỉ thị:
- Ix.x: chỉ trạng thái logic ngõ vào. - Qx.x: chỉ trạng thái logic ngõ ra. Đặc điểm ngõ vào: - Mức logic 1: 24VDC/7mA - Mức logic 0: đến 5VDC/1mA - Đápứng thời gian: 0.2ms - Cách ly quang: 500ACV - Địa chỉ ngõ vào: Ix.x Đặc điểm ngõ ra: - Điện áp tác động: 24-28VDC/2A
- Ngõ ra rơle hoặc transistor sourcing chịu quá dòng đến 7A. - Điện trở cách ly nhỏ nhất: 100mΩ
- Điện trở công tắc: 200mΩ
- Thời gian chuyển mạch tối đa: 10ms - Không có chếđộ bảo vệ ngắn mạch - Địa chỉ ngõ ra: Qx.x
- Điện áp nguồn: 20-24VDC - Dòng tối đa: 900mA
- Thời gian duy trì khi mất nguồn: 10ms - Cầu chì bên trong: 2A/250V
- Công tắc chọn mode
- Không có cách ly nguồn điện.
Mode công tắc chọn: có 3 vị trí lựa chọn công tắc - RUN: cho phép PLC thực hiện chương trình.
52 - PLC sẽ dừng chương trình khi có sự cố.
- TERM: cho phép máy lập tình quyết định chếđộ hoạt động PLC. Cổng truyền thông:
- Sử dụng cổng RS485 để ghép nối với máy tính hoặc thiết bị khác. - Tốc độ truyền là: 9600 bauds
Hình 3.4: Cấu trúc cổng truyền thông RS485.
- Ghép nối PLC và máy tính sử dụng cáp PC/PPI chuyển đổi giữa RS232 và RS485 như hình sau:
53
3.2.2 Module mở rộng
Module analog là một công cụđể xử lý các tín hiệu tương tự thông qua việc xử lý các tín hiệu số.
- Analog input: Thực chất nó là một bộ biến đổi tương tự - số (A/D). Nó chuyển tín hiệu tương tự ở đầu vào thành các tín hiệu sốở đầu ra. Dùng để kết nối các thiết bị đo với bộđiều khiển. Ví dụnhư đo nhiệt độ, tốc độ.
- Analog output: cũng là một phần của module analog. Thực chất nó là một bộ biến đổi số - tương tự (D/A). Nó chuyển tín hiệu số ở đầu vào thành tín hiệu tương tự ở đầu ra. Dùng để điều khiển các thiết bị với dải đo tương tự. Chẳng hạn như điều khiển Van mở với góc từ 0-100%, hay điều khiển tốc độ biến tần 0-50Hz.
Thông thường đầu vào của các module analog là các tín hiệu điện áp hoặc dòng điện. Trong khi đó các tín hiệu tương tự cần xử lý lại thường là các tín hiệu không điện như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng… Vì vậy người ta cần phải có một thiết bị trung gian để chuyển các tín hiệu này về tín hiệu điện áp hoặc tín hiệu dòng điện – thiết bị này được gọi là các đầu đo hay cảm biến. Để tiện dụng và đơn giản các tín hiệu vào của module Analog Input và tín hiệu ra của module Analog Output tuân theo chuẩn tín hiệu của công nghiệp. Có 2 loại chuẩn phổ biến là chuẩn điện áp và chuẩn dòng điện:
- Điện áp: 0-10V, 0-5V, ±5V…
- Dòng điện: 4-20mA, 0-20mA, ±10mA…
Trong khi đó tín hiệu từ các cảm biến đưa ra lại không đúng theo chuẩn. Vì vậy người ta cần phải dùng thêm một thiết bị chuyển đổi để đưa chúng về chuẩn công nghiệp. Kết hợp các đầu cảm biến và các thiết bị chuyển đổi này thành một bộ cảm biến hoàn chỉnh, thường gọi tắt là thiết bị cảm biến, hay đúng hơn là thiết bịđo và chuyển đổi đo (bộ transducer).
Các tín hiệu đầu ra của cảm biến sẽ được đưa vào các module analog đểđọc và đưa ra giá trịanalog tương ứng tùy theo độ phân giải của module.
54
Hình 3.6: Mô hình chuyển đổi tín hiệu.
Hầu hết các PLC đều phải có các công cụ hỗ trợ xử lý tín hiệu analog, đối với PLC S7-200 thì đó là các module analog. Module analog thực chất là các bộ biến đổi tương tự - số thực hiện việc chuyển đổi các tín hiệu tương tự sang số để thực hiện các hoạt động tính toán bên trong PLC. Có hai loại module tương ứng với các chức năng này là module đọc và xuất tín hiệu analog.
Đểđọc tín hiệu analog vào PLC ta cần có bộ chuyển đổi tín hiệu không điện thành tín hiệu điện (sensor nhiệt độ, áp suất…), bộ chuyển đổi tín hiệu điện tiêu chuẩn (PT350…) và module đầu vào analog. S7-200 hỗ trợ hai module đọc tín hiệu analog là EM231 và EM235.
3.3 Thiết kế hệ thống
3.3.1 Lựa chọn linh kiện và thiết bị
Dựa vào các nghiên cứu thực tế và lý thuyết, ta lựa chọn các thiết bị và linh kiện sau cho hệ thống turbine gió công suất 15-20kW:
- Động cơ quay bệ: 3P 380VAC/50Hz, 2.2kW ( Tốc độ 1500v/ph và có đảo chiều, tốc độ khá nhanh nên ta cần lắp thêm biến tần đểđiều khiển tốc độđộng cơ).
- Cảm biến đo hướng gió dạng chiết áp 3 chân, dải đo 0-3600.
- Cảm biến đo vận tốc gió: nguồn cấp 5VDC, tín hiệu ra dạng xung (10 xung/1s tương ứng với 1m/s).
55
- Hải cảm biến tiệm cận đểđo độ xoắn của dây cáp. - Ắc quy: 30 bình 50Ah.
- Module EM235: EM235 là một module tương tự gồm có 4AI và 1AO 12bit (có tích hợp các bộ chuyển đổi A/D và D/A 12bit ở bên trong).
Hình 3.7: Cấu trúc của module EM235.
Thành phần Mô tả
4 đầu vào tương tự được kí hiệu bởi các chữ cái A,B,C,D A+ , A- , RA Các đầu nối của đầu vào A B+ , B- , RB Các đầu nối của đầu vào B C+ , C- , RC Các đầu nối của đầu vào C D+ , D- , RD Các đầu nối của đầu vào D 1 đầu ra tương tự (MO,VO,IO) Các đầu nối của đầu ra
Gain Chỉnh hệ số khuếch đại
Offset Chỉnh trôi điểm không
Switch cấu hình Cho phép chọn dải đầu vào và độ phân giải
56 - PLC S7-200 CPU 224:
Hình 3.8: Cấu hình của PLC S7-200 CPU 224 AC/DC/Relay.
3.3.2 Mô hình và sơ đồ khối hệ thống
57
Hình 3.10: Điều khiển vòng kín. Yêu cầu của hệ thống:
- Quay động cơ lệch hướng gió góc α để tốc độ gió luôn bằng 7m/s. - Phanh turbine khi gió nằm ngoài khoảng 7-22m/s.
- Quay về 0 vòng xoắn khi gió bé hơn 7. - Nếu gió quá 22m/s thì quay vuông góc.
- Báo đèn khi xoắn quá sốvòng quy định, quay về 0. Ta có sơ đồ hoạt động khái quát như sau:
Hình 3.11: Sơ đồ hoạt động. Tín hiệu vào (Input):
AIW0: hướng gió I0.0: tốc độ gió I0.1: sensor thuận
58 I0.2: sensor ngược
I0.3: reset vòng xoắn Tín hiệu ra (Output): Q0.0: quay thuận Q0.1: quay ngược Q0.2: phanh bệ Q0.3: phanh turbine
Chương trình được xây dựng bằng phần mềm lập Step 7 MicroWin và được trình bày ở phần Phụ Lục.
Hình 3.12: Các khối tín hiệu vào – ra.
3.4 Kết luận chương
Cấu trúc bộ điều khiển PLC sử dụng S7 – 200, sơ đồtác động vào ra các tín hiệu ở hình 3.11 và 3.12, ngôn ngữ lập trình LADDER (LAD) viết trên Step7 (Phụ lục). Với các giá trị giới hạn đặt thay đổi, các kết quả tác động của bộ điều khiển PLC là hoàn toàn tin cậy. Tuy nhiên do thủ tục và kinh phí chưa cho phép nên bộ điều khiển chưa được triển khai lắp đặt thực tế.
59
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Nguồn năng lượng tái tạo từ gió là một nguồn năng lượng sạch, hơn nữa yêu cầu về năng lượng điện ngày càng tăng, đồng thời tiềm năng về năng lượng gió ở nước ta là rất lớn. Do đó, việc nghiên cứu thiết kế hệ thống phát điện bằng sức gió công suất nhỏ ở những vùng chưa có điện lưới quốc gia là một vấn đề mang tính thời sựvà có ý nghĩa, đặc biệt là trong giai đoạn hiện nay nguồn năng lượng truyền thống (than đá, dầu khí, nước…) đang cạn kiệt dần và khuyến khích sử dụng năng lượng tái tạo phục vụ nhu cầu năng lượng.
Bản luận văn đã được bố cục thành các chương với đầy đủ các nội dung và đã giải quyết được những vấn đề sau:
Trình bày được tổng quan về hệphong điện sử dụng PMSG.
Nghiên cứu hệ thống điều khiển.
Thiết kế bộđiều khiển hệ thống PLC cho hệphong điện.
Bản luận văn này mới chỉ dừng lại ở các kết quả nghiên cứu – thiết kế, chưa có chế tạo thử. Nhưng hy vọng đây cũng là một tài liệu tích cực cho quá trình nghiên cứu, thiết kế phục vụ cho việc lắp đặt hệ thống phát điện gió công suất nhỏ sau này.
2. Kiến nghị
Sau quá trình thực hiện đề tài, tôi cũng xin đề xuất một số vấn đề sau:
Tiếp tục nghiên cứu và phát triển đề tài đểđề tài thực sựcó ý nghĩa về mặt thực tiễn, có khả năng ứng dụng cao nhằm lắp đặt một bộ điều khiển PLC cho hệ thống sử dụng PMSG trong nước.
Mở rộng nghiên cứu những đề tài nghiên cứu, thiết kế và chuyển giao công nghệ cho những hệ thống phát điện kết hợp giữa sức gió với các nguồn năng lượng tái tạo khác ở cỡ công suất vừa và nhỏ.
60
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. E. Hau (2000), Wind Turbines, Springer, Heidelberg, Germany. [2]. Gary L. Johnson (2001), Wind Energy Systems, Manhattan KS.
[3]. Rupp Carriveau (2011), Fundamental and Advanced Topics in Wind Power, InTech.
[4]. Tony Burton, David Sharpe, Nick Jenkins, Ervin Bosanyi (2001), Wind
Energy Handbook, John Wiley& Sons, Ltd, New York, pp. 471-509.
[5]. The World Bank Asia Alternative Energy Program (2001), Wind Energy
Resource Atlas of Southeast Asia, TrueWind Solutions, LLC Albany, New
York.
[6]. Nguyễn Bính (1982), Kỹ thuật biến đổi điện năng, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội.
[7]. PGS-TSKH Nguyễn Phùng Quang (2007), Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10-30KW phù hợp với điều kiện Việt Nam, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội.
[8]. PGS-TSKH Thân Ngọc Hoàn (2005), Máy điện, Nhà xuất bản Xây Dựng, Hà Nội.
[9]. Vũ Thị Thanh Phương (2008), Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát điện bằng sức gió công suất nhỏ , Trường Đại học Thái Nguyên, Thái Nguyên.
61