CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
4.6 TÍNH CHỌN MẠCH DIỀU KHIỂN PHỤ TẢI
Hình 4.25 Sơ đồ điều khiển tải bằng contactor
Mơ tả nguyên lý hoạt động:
Mạch điều khiển động cơ 1 chạy theo thời gian đặt trước sau đó dừng lại và chạy động cơ 2. Động cơ 2 cũng sẽ chạy một thời gian, sau đó chuyển sang động cơ 3. Tương tự như vậy và chuyển về lại động cơ 1. Do đó mạch được gọi là mạch điều khiển 3 động cơ chạy luân phiên.
Cơng tắc Mode hai vị trí chọn chế độ điều khiển Man/Auto.
Ở chế độ Manual (Bằng tay), khi đóng cơng tắc Mode thì relay RL tác động, tiếp điểm thường đóng của RL mở ra. Do đó Timer T1, T2 và T3 sẽ không được cấp điện.
Khi nhấn nút ON1, contactor K1 hút động cơ 1 chạy và đồng thời tiếp điểm thường hở K1 đóng lại tự giữ cho nút ON1. Các Timer ở chế độ Man không được cấp điện nên các động cơ sẽ chạy độc lập với nhau.
Khi nhấn nút ON2 thì contactor K2 hút, cấp điện cho động cơ 2 quay. Tương tự với động cơ 3.
60
Nhấn OFF1 động cơ 1 dừng, nhấn nút OFF2 động cơ 2 sẽ dừng. Tương tự với động cơ 3.
Ở chế độ Auto (Tự động), khi công tắc Mode để hở, relay RL không được cấp điện nên tiếp điểm thường đóng RL khơng thay đổi trạng thái. Do đó nút khi nhấn ON thì cuộn hút Timer được cấp điện, mạch chạy chế độ Auto.
Khi nhấn nút ON1 contactor K1 cấp điện cho động cơ 1 quay. Đồng thời Timer 1 được cấp điện sẽ bắt đầu đếm thời gian.
Khi Timer 1 đếm đến thời gian đặt trước, tiếp điểm thường đóng T1 mở ra làm contactor K1 mất điện, động cơ 1 dừng. Đồng thời tiếp điểm thường hở T1 đóng lại, cấp nguồn cho contactor K2 và Timer 2. Lúc này động cơ 2 quay, động cơ 1 dừng và Timer 2 bắt đầu đếm thời gian.
Khi Timer 2 đếm đến thời gian đặt trước, tiếp điểm thường đóng T2 mở ra làm contactor K2 mất điện, động cơ 2 dừng. Đồng thời thường hở của T2 đóng lại cấp nguồn cho contactor K3 và Timer 3. Lúc này động cơ 3 quay, động cơ 2 dừng và Timer 3 bắt đầu đếm thời gian.
Khi Timer 3 đếm hết thời gian đặt trước, tiếp điểm thường đóng T3 mở ra làm contactor K3 mất điện, động cơ 3 dừng. Đồng thời tiếp điểm thường hở của T3 đóng lại kích động cơ 1 chạy lại.
61
62
4.7 KHẢO SÁT, TÍNH TỐN CÁC TRẠNG THÁI ĐÓNG/NGẮT TỤ DỰA VÀO SỰ THAY ĐỔI CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CẦN BÙ
Theo thông số của tải và dung lượng tụ tính chọn được, để đơn giản, có thể hiểu hệ thống gồm hai thành phần chính là phẩn tải, và phần bù công suất phản khảng. Các trạng thái đóng/ngắt tụ sẽ được thực hiện tự động hoặc thủ công theo các chế độ đã được trình bày, dựa theo sự thay đổi về mặt công suất phản kháng cần bù.
Phần hệ thống bù, điều khiển tự động hoặc bằng tay qua bộ điều khiển SK QR-X4 với 4 cấp bù.
Cài đặt các thơng số như sau:
- Ngưỡng đóng A tại giá trị A-2: đóng cosφ = 0,9 cảm
- Ngưỡng cắt b tại giá trị b – 1: cắt cosφ = 0,95 cảm.
- Thời gian đóng C tại giá trị C – 1: đóng = 5 giây.
- Thời gian cắt d tại giá trị d – 1: cắt = 30 giây
- Ngưỡng cắt E tại giá trị E – 2: quá áp = 240V
- Số cấp F tạ giá trị F – 4 : 4 cấp bù ứng động
Các trạng thái tải có thể xảy ra là: - Chỉ động cơ 1 chạy; - Chỉ động cơ 2 chạy; - Chỉ động cơ 3 chạy; - Động cơ 1 và 2 cùng chạy; - Động cơ 1 và 3 cùng chạy; - Động cơ 2 và 3 cùng chạy; - Cả ba động cơ cùng chạy.
Xét trường hợp thứ nhất, chỉ có động cơ 1 chạy: Ta có:
63
Hệ số công suất của tải là: 𝑐𝑜𝑠𝜑1 = 0,86 → 𝑡𝑎𝑛𝜑1 = 0,6
Hệ số công suất sau khi bù là: 𝑐𝑜𝑠𝜑2 = 0,95 → 𝑡𝑎𝑛𝜑2 = 0,33
Dung lượng cần bù là:
𝑄𝑏 = 𝑃(𝑡𝑎𝑛𝜑1− 𝑡𝑎𝑛𝜑2) = 5,5(0,6 − 0,33) = 1,49 (𝑘𝑉𝐴𝑟)
Như vậy, hệ thống thực hiện đóng 1 cấp bù, tức là dung lượng được bù vào là 2,5kVAr và sai số bù sẽ là 1,01kVAr.
Thực hiện khảo sát với các trường hợp còn lại. Số liệu ghi chép được tổng hợp trong bảng sau:
Bảng 4.14 Kết quả khảo sát hoạt động đóng cấp bù theo sự thay đổi cơng suất và hệ số công suất của tải
Các trường hợp hoạt động Chỉ động cơ 1 Chỉ động cơ 2 Chỉ động cơ 3 Động cơ 1&2 Động cơ 1&3 Động cơ 2&3 Cả 3 động cơ Công suất (kW) 5,5 11 15 16,5 20,5 26 31,5 Cosφ (±0,02) 0,86 0,84 0,87 0,85 0,865 0,855 0,86 Dung lượng cần bù (kVAr) 1,49 3,63 3,45 4,79 5,13 7,19 8,51 Cấp bù 1 2 2 2 2 3 4 Dung lượng bù (kVAr) 2,5 5 5 5 5 7,5 10 Sai số bù (kVAr) 1,01 1,37 1,55 0,21 - 0,13 0,31 1,49
Nhận xét: Mơ hình bù ứng động 4 cấp, mỗi cấp có dung lượng bù 2,5kVAr, sai số
bù ở mức cho phép, đáp ứng tốt cho hệ thống tải với chế độ làm việc liên tục theo lý thuyết và có thể điều chỉnh để phù hợp với quy mơ thực tế.
64
CHƯƠNG 5. PHÂN TÍCH VÀ CHUYỂN ĐỔI MẠCH ĐIỀU KHIỂN CỨNG SANG ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC
5.1 TỔNG QUAN VỀ PLC
5.1.1 Định nghĩa của một PLC
A Programmable Logic Controller (PLC) được gọi là bộ điều khiển logic khả trình (lập trình được) hay bộ điều khiển tuần tự.
Một PLC được định nghĩa là “một thiết bị điện tử kiểm soát nhiều loại hệ thống thơng qua các cổng I/O của nó và tích hợp mộ bộ nhớ để lưu trỡ các lệnh lập trình”.
5.1.2 Cơng dụng thực tế
PLC được sử dụng rộng rãi như là một thành phần cốt lõi của tự động hoá trong nhà máy, cũng như trong các sản phẩm ứng dụng điện tử thiết yếu, để tiết kiệm chi phí và cải thiện chất lượng tự động hoá.
PLC có thể được sử dụng cho nhiều loại ứng dụng như các ứng dụng có hệ thống. Trong đó, nó cung cấp quyền kiểm sốt tất cả các nhà máy hay các ứng dụng độc lập để kiểm soát một máy độc lập.
65
5.1.3 Cấu tạo và sự phân bố và đi dây I/O các thiết bị ngoại vi
Hình 5.2 Cấu tạo một PLC
Một PLC kết hợp với một mạch điện chủ yếu bao gồm một máy vi tính và bộ nhớ. Giao diện đầu vào/đầu ra tồn tại giữa các thiết bị đầu vào/đầu ra và mạch điện tử để kết nối chúng. Bảng lập trình được sử dụng để ghi một chương trình tới bộ nhớ trong PLC.
PLC được kích hoạt bởi tín hiệu đầu vào từ cơng tắc nút nhấn, cơng tắc chọn, các công tắc số được đặt ở bảng điều hành và bởi các đầu vào cảm biến. Chẳng hạn như, các đầu vào từ công tắc giới hạn, công tắc lân cận và công tắc quang điện. Nhằm phát hiện trạng thái của hệ thống để kiểm sốt tải ơ đĩa như van solenoid (van điện từ), động cơ và ly hợp điện tử và sự chỉ từ, sự chỉ thị tải như đèn báo và các chỉ dẫn số.
Các trạng thái của tín hiệu đầu ra tương tứng với các tín hiệu đầu vào được xạc định bởi nội dung của chương trình cung cấp cho PLC.
66
Tải nhẹ như van solenoid nhỏ và đèn báo hiệu có thể được điều khiển trực tiếp bằng PLC. Nhưng với những tải như động cơ 3 pha, van solenoid lớn phải được điều khiển thông qua các contactor và các relay trung gian.
67
5.2 CHUYỂN ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI CỨNG SANG ĐIỀU KHIỂN PLC
5.2.1 Chuyển điều khiển kết nối cứng sang điều khiển bằng PLC như thế nào?
Trong nhiều trường hợp, ta cần cải tạo một hệ thống điều khiển với relay và contactor thành hệ thống điều khiển với PLC. Một câu hỏi đặt ra là chúng ta cần giữ lại những phần nào trong hệ thống điều khiển, còn phần nào sẽ loại bỏ đi?
Để dễ dàng trong việc chuyển đổi, có thể áp dụng phương pháp sau để chuyển đổi từ một hệ thống điều khiển cũ sang điều khiển với PLC.
- Về phần cứng:
• Xác định các bộ tạo tín hiệu (nút nhấn, công tắc, cảm biến…) cần thiết nhất trong hệ thống điều khiển, mỗi bộ tạo tín hiệu tuỳ theo loại tạo ra tín hiệu nào nên được kế nối với một ngõ vào của PLC tương ứng, ví dụ nếu bộ tạo ra tín hiệu nhị phân thì được kết nối với các ngõ vào số, còn bộ tạo ra tín hiệu tương tự thì kết nối với ngõ vào tương tự (analog). Còn các bộ tạo tín hiệu cịn lại nếu khơng cần thiết thì có thể bỏ đ và sẽ được thực hiện bằng chương trình trong PLC.
• Tương tự xác định các cơ cấu chấp hành (đối tượng điều khiển) cần thiết nhất, thông thường các đối tượng này là các đèn báo, contactor chính, van từ… Tuỳ theo loại mà mỗi đối tượng điều khiển có thể kết nối trực tiếp hoặc gián tiếp với các ngõ ra tương ứng, mỗi một đối tượng điều khiển cần dịng điều khiển lớn thì u cầu phải sử dụng relay trung gian. Ví dụ như các contactor chính điều khiển các động cơ cơng suất lớn thì ngõ ra của PLC sẽ được nối với một relay trung gian và thông qua tiếp điểm của relay trung gian để điều khiển các contactor này.
• Cịn các đối tượng điều khiển khơng tác động trực tiếp đến q trình điều khiển mà chỉ đóng vai trị trung gian hỗ trợ cho quá trình điều khiển như relay trung gian thì có thể loại bỏ và được thay thế bằng một ơ nhớ nào đó trong chương trình của PLC. Sau khi đã xác định được số lượng các ngõ vào/ngõ ra cần thiết và hệ thống điện cung cấp cho phần điều khiển thì tiến hành đến việc lựa chọn loại PLC phù hợp.
68
• Thiết lập bảng xác định các ngõ vào/ra với các ngoại vi tương ứng và chú ý ghi chú lại càng chi tiết càng tốt.
• Thực hiện việc nối dây các ngõ vào/ra của PLC với các bộ tạo tín hiệu điều khiển và đối tượng điều khiển. Trong quá trình nối dây cần lưu ý đến các nguyên tắc an tồn trong hệ thống điều khiển.
• Tất cả việc kết nối dây trong hệ thống điều khiển trước đây sẽ được chuyển đổi thành chương trình trong PLC.
- Về phần mềm: Việc viết chương trình có thể được thực hiện theo hai cách.
• Cách 1: Tuỳ theo yêu cầu cơng nghệ mà có thể thiết lập giải thuật điều khiển và viết chương trình theo giải thuật điều khiển này.
• Cách 2: Vẫn duy trì hoạt động của hệ thống như cũ, hay nói cách khác là không cần thiết phải lặp lại giải thuật điều khiển vì tất cả đã được thiết kế trong sơ đồ điều khiển cứng trước đây mà chỉ cần biến đổi sơ đồ điều khiển này thành chương trình trong PLC. Các này tương đối dễ dàng và có thể khơng bị lỗi khi lập trình.
5.2.2 Thực hiện chuyển đổi điều khiển cứng sang điều khiển bằng PLC cho mạch 3 động cơ luân phiên mạch 3 động cơ luân phiên
Trong mạch điều khiển cứng, sử dụng các nút nhấn ON1 – ON3, OFF1 – OFF3, đây là các nút nhấn cấn thiết để đóng và cắt các động cơ nên cần phải giữ lại. Như vậy để thực hiện điều khiển bằng PLC ta sử dụng các ngõ vào số để kết nối với các nút nhấn này.
Trong sơ dồ mạch điều khiển trên gồm các contactor K1, K2, K3. Đây là các thiết bị không thể thiếu và bắt buộc phải giữ lại để đóng cắt động cơ với lưới điện. Để điều khiển các contactor này, ta sẽ dùng đến các ngõ ra của PLC.
Về các Timer 1, 2 ,3 đây là các thiết bị phụ trợ trong điều khiển contactor vì vậy khơng cần thiết phải giữ lại, nó sẽ được thay thế bằng các Timer thời gian trong PLC và các ô nhớ trên thanh ghi D để nhập thời gian đặt trước.
69
Bảng 5.1 Bảng ký hiệu chuyển đổi
Ký hiệu Địa chỉ PLC Chú thích
Biến ngõ vào
ON1 X000 Nút nhấn đóng động cơ 1 vào lưới điện, thường hở ON2 X001 Nút nhấn đóng động cơ 2 vào lưới điện, thường hở ON3 X002 Nút nhấn đóng động cơ 3 vào lưới điện, thường hở OFF1 X003 Nút nhấn ngắt động cơ 1 ra khỏi lưới điện, thường đóng OFF2 X004 Nút nhấn ngắt động cơ 2 ra khỏi lưới điện, thường đóng OFF3 X005 Nút nhấn ngắt động cơ 3 ra khỏi lưới điện, thường đóng
Biến ngõ ra
K1 Y000 Contactor K1, đóng động cơ 1 K2 Y001 Contactor K2, đóng động cơ 2 K3 Y003 Contactor K3, đóng động cơ 3
Ngồi ra, cịn có các biến trung gian M0, M1, M2, … để sử dụng và thay thế.
5.2.3 Kết nối dây với PLC
Hình 5.4 Kết nối dây với PLC
E2_2 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 COM E3_2 OUT0 OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 OUT5 OUT6 OUT7 COM OFF3 OFF2 ON1 ON2 ON3 OFF1 START AUTO STOP AUTO K1 K2 K3 PLC FX
70
5.2.4 Phân tích giản đồ trạng thái hoạt động theo thời gian
Hình 5.5 Giản đồ trạng thái hoạt động
Khi động cơ 1 chạy, sau khoảng thời gian T1 thì ngưng, động cơ 2 chạy. Khi động cơ 2 chạy, sau khoảng thời gian T2 thì ngưng, động cơ 3 chạy. Khi động cơ 3 chạy, sau khoảng thời gian T3 thì ngưng, động cơ 1 chạy lại.
73
Giải thích hoạt động của chương trình PLC:
Khi nhấn nút X0 (Chạy chế độ tự động), biến Y0 (Động cơ 1) được set mức cao, tiếp điểm thường hở Y0 đóng lại, biến C0 bắt đầu đếm xung 1s M8013. Có thể thay thế bằng biến M8104 hoặc M8015 tương ứng với phút và giờ. Trong bài này, để tiện mô phỏng nên sẽ dùng M8013 để tạo xung 1s.
Khi biến C0 đạt giá trị lớn hơn giá trị nhập vào D0 (Thời gian nhập vào) thì sẽ thực hiện reset biến Y0 về mức thấp, đồng thời cũng reset biến C0 về mức thấp và set biến Y1 lên mức cao.
Lặp lại chu trình trên theo tuần tự Y0 (Động cơ 1), Y1 (Động cơ 2) và Y2 (Động cơ 3) sau đó quay trở về lại Y0.
Nhấn nút X1 để dừng chế độ tự động.
Để chạy chế độ bằng tay, ta có thể nhấn nút X2, lúc này biến Y0 được set mức cao, động cơ 1 chạy. Tương tự với nút X3 và X4 với các biến Y1, Y2 tương ứng với động cơ 2 và động cơ 3.
Để dừng lại, nhấn nút X5, X6, X7 tương ứng với dừng động cơ 1, 2, 3 theo thứ tự.
5.2.6 Thiết kế giao diện điều khiển trên HMI
Để thuận tiện cho việc điều khiển, theo dõi thì ta có thể thiết kế giao diện điều khiển hệ thống ngay trên màn hình HMI. Một số phần mềm có thể lập trình HMI tương thích tốt với PLC Mitsubishi như GT Designer 3, Labview, SK – Tool,… Trong bài này, sử dụng phần mềm GT Designer 3 để thiết kế giao diện điều khiển trên HMI cho hệ thống tải.
74
a) Các bước thiết kế giao diện HMI điều khiển hệ thống tải:
- Bước 1: Khởi động phần mềm GT Designer 3.
Hình 5.6 Giao diện tạo project HMI trên phần mềm GT Designer 3
- Bước 2: Tạo project. Tại hộp thoại New Project Wizard, nhấn chọn Next.
Tại mục GOT Type: Chọn dòng HMI muốn khởi tạo tương ứng với HMI thực, nếu chỉ thực hiện mơ phỏng trên laptop thì phần này có thể để mặc định hoặc chọn
75
tuỳ ý. Thơng thường chọn HMI có độ phân giải vào khoảng 800x600 pixel là hợp lý. Sau đó nhấn Next 2 lần.
Tại mục Manufacturer: Chọn hãng PLC. Trong bài sử dụng mô phỏng trên PLC Mitsubishi nên sẽ chọn là Mitsubishi.
Tại mục Controller Type: Chọn dòng PLC. Trong bài chọn dịng PLC FX. Sau đó nhấn Next cho đến khi thấy nút Finish thì nhấn Finish để hồn tất tạo project.
76
Hình 5.7 Giao diện chính để lập trình HMI
- Bước 3: Thực hiện thiết kế giao diện HMI tương ứng với mạch điều khiển