Đồ án Thiết kế mô hình điều khiển và giám sát hệ thống ATS (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thiết kế mô hình điều khiển và giám sát hệ thống ATS (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG ATS GVHD: ThS. LƯU VĂN QUANG SVTH: HUỲNH HỒNG ĐỨC MSSV: 12142061 SVTH: ĐINH NGỌC THÀNH MSSV: 12142349 S K L 0 0 4 8 6 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016
2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG ATS SVTH: HUỲNH HỒNG ĐỨC MSSV: 12142061 SVTH: ĐINH NGỌC THÀNH MSSV: 12142349 KHÓA: 2012 NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ GVHD: GVC THS. LƯU VĂN QUANG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016
3. CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Huỳnh Hồng Đức MSSV: 12142061 Đinh Ngọc Thành 12142349 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện-Điện tử Lớp: 12142CLC Giảng viên hướng dẫn: GVC THS. LƯU VĂN QUANG ĐT: 0918202408 Ngày nhận đề tài: 16/03/2016 Ngày nộp đề tài: 20/07/2016 1. Tên đề tài: “Thiết kế mô hình điều khiển và giám sát hệ thống ATS” 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: Các tài liệu về PLC CP1E-N20DR-A và HMI NB5Q-TW00B. 3. Nội dung thực hiện đề tài: - PLC CP1E-N20DR-A. - Màn hình NB5Q-TW00B. - Hệ thống ATS. - Thiết kế và thi công mô hình điều khiển và giám sát hệ thống ATS dùng PLC CP1E-N20DR-A và HMI NB5Q-TW00B. 4. Sản phẩm: Tủ ATS dùng PLC CP1E-N20DR-A và HMI NB5Q-TW00B. TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Trang i
4. CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: MSSV: Họ và tên Sinh viên: MSSV: Ngành: Tên đề tài: Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: 2. Ưu điểm: 3. Khuyết điểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không: 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: Bằng chữ: Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) Trang ii
5. CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: MSSV: Họ và tên Sinh viên: MSSV: Ngành: Tên đề tài: Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: 2. Ưu điểm: 3. Khuyết điểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không: 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: Bằng chữ: Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) Trang iii
6. LỜI MỞ ĐẦU Một trong những vấn đề đang được đặt ra và đòi hỏi giải quyết nhằm nâng cao chất lượng điều khiển, giám sát, và an toàn vận hành trong các nhà máy (đặc biệt hệ thống điện) đó là tự động hóa quá trình điều khiển bằng kỹ thuật cao. Để theo kịp trình độ phát triển của khoa học kỹ thuật thì việc cập nhật các kiến thức mới và ứng dụng các thiết bị điều khiển, giám sát mới là cần thiết. HMI (Human Machine Interface) và PLC (Programmable Logic Controller) cho phép giám sát, điều khiển và có thể thay đổi chương trình một cách linh hoạt. Thấy được tầm quan trọng trên nên nhóm sinh viên quyết định chọn đề tài “Thiết kế mô hình điều khiển và giám sát hệ thống ATS dùng PLC CP1E-N20DR-A & HIM NB5Q-TW00B”, để tự hoàn thiện kiến thức của mình trước khi ra trường, và tích lũy một ít kinh nghiệm để trang bị hành trang vào đời, đáp ứng nhu cầu của cán bộ kỹ thuật. Lí do chọn đề tài: Trước đó, vào khoảng tháng 2/2016, qua thông tin tuyển dụng trên báo, chúng em đã nộp hồ sơ phỏng vấn xin việc vào công ty Đạt Vĩnh Tiến. Qua cuộc phỏng vẫn, chúng em đã được tuyển vào công ty. Một trong những mặt hàng chủ lực của công ty là tủ ATS điều khiển bằng LOGO. Ngày nay hệ thống ATS ngày càng phổ biến và đa dạng, không chỉ với các công trình kiến trúc lớn như: Trung tâm thương mại, sân bay, trung cư ) mà nó còn được sử dụng với các công trình kiến trúc vừa và nhỏ ( siêu thị, bệnh viện, công xưởng ). Với giá thành CP1E-N20DR-A và HMI NB5Q-TW00B khá rẻ vì thế chúng em chọn đề tài “Thiết kế mô hình điều khiển và giám sát hệ thống ATS dùng PLC CP1E-N20DR-A và HMI NB5Q- TW00B”. Trong quá trình thực hiện luận văn này, do kiến thức còn giới hạn nên không thể tránh khỏi thiếu sót. Nhóm thực hiện xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn. Trang iv
7. LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian theo học tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự dạy dỗ tận tình của quý thầy cô là thời gian có ý nghĩa quan trọng đối với em. Đây là khoảng thời gian quý giá để em tạo cho mình một nền tảng kiến thức vững chắc cho tương lai. Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu các Thầy Cô trong trường, đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả quý thầy cô thuộc khoa Điện-Điện Tử và khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức quý báo cho em trong suốt thời gian học tập tại trường. Em xin gửi lời tri ân sâu sắc đến thầy Th.S Lưu Văn Quang là người trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình để em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này. Với đề tài “Thiết kế mô hình điều khiển và giám sát hệ thống ATS”. Con xin chân thành cảm ơn đến cha mẹ luôn tạo mọi điều kiện về vật chất và động viên cho con trong suốt thời gian qua. Cảm ơn chân thành quý công ty Đạt Vĩnh Tiến đã hỗ trợ máy móc và thiết bị để hoàn thành đồ án. Cảm ơn đến tất cả các bạn, những người đã sát cánh trong suốt chặn đường đại học đầy gian nan vất vả này. Em xin chân thành cảm ơn! TP HCM, ngày tháng năm 2016 Sinh viên Trang v
8. MỤC LỤC NỘI DUNG TRANG Nhiệm vụ đồ án i Nhận xét của giáo viên hướng dẫn ii Nhận xét của giáo viên phản biện iii Lời mở đầu iv Lời cảm ơn v Mục lục vi Liệt kê hình ảnh ix Liệt kê bảng xi Danh mục các từ viết tắt xi PHẦN A: GIỚI THIỆU Chương 1. DẪN NHẬP 1.1. Lý do chọn đề tài 1 1.2.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu 1 1.3. Mục đích và mục tiêu của đề tài 2 1.4. Nội dung nghiên cứu 2 1.5. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 2 PHẦN B: NỘI DUNG Chương 2. CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN 2.1. Khảo sát PLC CP1E-N20DR-A 3 2.1.1. Giới thiệu về PLC CP1E-N20DR-A 3 2.1.2. Các thành phần trên bộ CP1E-N20DR-A 3 2.1.3. Chức năng các vùng nhớ trong bộ CP1E-N20DR-A 5 Trang vi
9. 2.1.4. Các tính năng trên bộ CP1E-N20DR-A 4 2.1.5. Phần mềm CX-Programmer 8 2.2. Màn hình NB5Q-TW00B 9 2.2.1. Tổng quát về PT NB 9 2.2.1.1. Khái niệm PT 9 2.2.1.2. Đặc tính kỹ thuật của PT NB5Q-TW00B 10 2.2.1.3. Mô tả bên ngoài 12 2.2.1.4. Các vùng nhớ của màn hình 13 2.2.2. Phần mềm NB – DESIGNER Vesion 1.23 14 2.3. Tổng quan về hệ thống ATS 20 2.3.1. Hệ thống ATS 20 2.3.1.1. Khái niệm 20 2.3.1.2. Nhiệm vụ 21 2.3.1.3. Phân loại 21 2.3.2. Các yêu cầu kỹ thuật 22 2.3.2.1. Các chức năng bảo vệ 22 2.3.2.2. Các khoảng thời gian trễ chuyển mạch 23 2.3.3. Các chế độ điều khiển 24 2.3.4. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống ATS 24 Chương 3. THIẾT KẾ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG ATS 3.1. Yêu cầu công nghệ 43 3.2. Kết nối PLC với thiết bị bên ngoài 43 3.2.1. Thiết bị ngõ vào 43 Trang vii
10. 3.2.2. Thiết bị ngõ ra 43 3.2.3. Sơ đồ kết nối 44 3.3. Thi công mô hình 46 3.3.1. Liệt kê thiết bị 46 3.3.2. Mô hình thực hiện của đồ án 46 3.4. Lưu đồ giải thuật 50 3.5. Chương trình điều khiển 51 3.6. Thiết kế trang màn hình 55 3.7. Nguyên lý hoạt động 68 PHẦN C: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN PHỤ LỤC VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO Trang viii
11. LIỆT KÊ HÌNH ẢNH HÌNH TRANG Hình 2.1. PLC-CP1E-N20DR-A 3 Hình 2.2. Các thành phần trên bộ CP1E-N20DR-A. 3 Hình 2.3. Giao diện khi mở phần mềm 8 Hình 2.4. Giao diện viết chương trình 9 Hình 2.5. Các họ PT màn hình Omron 9 Hình 2.6. Một số sản phẩm Omron-HMI 10 Hình 2.7. Mặt trước của NB5Q-TW00B 12 Hình 2.8. Hình dáng bên ngoài của NB5Q-TW00B 12 Hình 2.9. Mở chương trình NB-DESIGNER 13 Hình 2.10. Vào file chọn new để tạo một dự án 14 Hình 2.11. Kết nối PLC với màn hình NB5Q-TW00B 14 Hình 2.12. Tạo nút nhấn 15 Hình 2.13. Set địa chỉ cần tác động của PLC vào màn hình 15 Hình 2.14. Chọn tính chất của nút nhấn 16 Hình 2.15. Đặt tên cho nút nhấn 16 Hình 2.16. Tạo bóng đèn 17 Hình 2.17. Khai báo địa chỉ bóng đèn 17 Hình 2.18. Tạo nút chuyển trang 18 Hình 2.19. Chọn Add Screen trên thanh công cụ 19 Hình 2.20. Tạo 1 trang mới 19 Hình 2.21. Sơ đồ khối hệ thống ATS 20 Hình 2.22. Sơ đồ mạch động lực của hệ thống ATS 24 Trang ix
12. Hình 2.23. Sơ đồ mạch điện của hệ thống ATS dùng relay và contactor 26 Hình 3.1. Mạch kết nối động lực 44 Hình 3.2. Sơ đồ kết nối các thiết bị với PLC 45 Hình 3.3. Mặt ngoài của mô hình 47 Hình 3.4. Mặt sau của mô hình 48 Hình 3.5. Mặt bên trong của mô hình 49 Hình 3.6. Lưu đồ của hệ thống 50 Hình 3.7. Màn hình 0000 – Trang yêu cầu nhập mặt khẩu 56 Hình 3.8. Màn hình 0001 – Trang tựa đề 57 Hình 3.9. Màn hình 0002 – Trang Menu 58 Hình 3.10. Màn hình 0003 – Trang Auto_Mode 59 Hình 3.11. Màn hình 0004 – Trang Manual_Mode 60 Hình 3.12. Màn hình 0005 – Trang sơ đồ khối 61 Hình 3.13. Màn hình 0006 – Trang sơ nguyên lý 62 Hình 3.14. Màn hình 0007 – Trang giả lập sự cố 63 Hình 3.15. Các trang màn hình chỉ dẫn 67 Trang x
13. LIỆT KÊ BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1. Các trạng thái của PLC 4 Bảng 2.2. Các vùng nhớ trong bộ CP1E-N20DR-A 5 Bảng 2.3. Đặt tính kỹ thuật của NB-5Q-TW00B 10 Bảng 2.4. Tóm tắt khí cụ điện sử dụng 27 Bảng 2.5. Tóm tắt các đèn sử dụng 31 Bảng 2.6. Trạng thái vận hành khi lưới ổn định ở chế độ AUTO 32 Bảng 2.7. Trạng thái sự cố mất nguồn điện lưới chính ở chế độ AUTO 34 Bảng 2.8. Trạng thái giả sử mất nguồn trên pha L1 36 Bảng 2.9. Các trạng thái hoạt động khi quá tải 38 Bảng 2.10. Các trạng thái hoạt động khi máy phát đang vận hành và nguồn điện lưới có lại 39 Bảng 2.11. Quá trình hoạt động khi nhấn nút dừng khẩn cấp 41 Bảng 3.1. Bảng thiết bị ngõ vào 43 Bảng 3.2. Bảng thiết bị ngõ ra 44 Bảng 3.3. Thiết bị chính kết nối với Relay trung gian 44 Bảng 3.4. Thiết bị dùng cho hệ thống 46 Bảng 3.5. Bảng thiết kế trang màn hình 55 Bảng 3.6. Bảng trang tựa đề 57 Bảng 3.7. Bảng trang Menu 58 Bảng 3.8. Bảng trang Auto_Mode 59 Bảng 3.9. Bảng trang Maual_Mode 60 Bảng 3.10. Bảng trang sơ đồ khối 62 Bảng 3.11. Bảng trang sơ đồ nguyên lý 63 Bảng 3.12. Bảng trang giả lập sự cố 64 Trang xi
14. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ATS Automatic Transfer Switch. HMI Human Machine Interface. PLC Programmable Logic Controller. OV-UV Over volt-Under volt. E_STOP Emergency Stop. TDMG: Timer Delay Main to Generator. TDGM: Timer Delay Generator to Main. TDES: Timer Delay Engine Start. TDEC: Timer Delay Engine Cooldown. TDOM: Timer Delay off Main. TDOE: Timer Delay on to Emergency. OC: Overcurrent. CR Control Relay. Trang xii
15. PHẦN A
16. CHƯƠNG 1 DẪN NHẬP
17. Chương 1. Dẫn nhập Chương 1. DẪN NHẬP 1.1. Lý do chọn đề tài 1.1.1. Lý do khách quan Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, tự động hóa đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực công nghiệp. Việc cung cấp điện một cách liên tục và ổn định trong công nghiệp là yêu cầu rất cần thiết nhằm góp phần tăng năng suất lao động, giảm tỉ lệ phế phẩm, đồng thời đảm bảo độ chính xác cao. Do đó, việc sử dụng bộ chuyển đổi ATS (Automatic Transfer Switch) với thiết bị đóng cắt là biện pháp hữu hiệu nhất được dùng phổ biến hiện nay. Có nhiều cách điều khiển và giám sát hoạt động của hệ thống ATS như: Rơle, contactor, vi xử lý Với HMI (Human Machine Interface), PLC (Programmable Logic Controller) cho phép giám sát, điều khiển, thay đổi chương trình một cách linh hoạt, hiệu quả. Thấy được tầm quan trọng nêu trên và để đáp ứng phần nào nhu cầu tự động hóa vào thực tế nên nhóm quyết định chọn đề tài: “Thiết kế mô hình điều khiển và giám sát hệ thống ATS dùng PLC & HMI”. 1.1.2. Lý do chủ quan Là một kỹ sư điện công nghiệp, công việc gắn liền với điều khiển, vận hành hệ thống tự động sản xuất. Như vậy, những hiểu biết về PLC và thiết bị giám sát cũng như kết nối các thiết bị qua mạng sẽ tạo nhiều thuận lợi để làm việc tốt hơn. Khi còn ngồi trên ghế nhà trường, việc tìm hiểu, nghiên cứu để nắm vững phương pháp lập trình PLC và cách kết nối PLC với các cơ cấu chấp hành và các cơ cấu điều khiển, thiết bị giám sát rất có ý nghĩa trong học tập và tích lũy kinh nghiệm. Và đây cũng là một bước đệm có ý nghĩa quan trọng để khi ra trường có thể thích ứng với môi trường công nghiệp. 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu HMI và PLC là thiết bị chuyên dùng trong công nghiệp. Nó dùng để kiểm tra, giám sát và điều khiển các trạng thái hoạt động của thiết bị, máy móc và trao đổi thông tin giữa người vận hành với máy. Ta có thể thay đổi chương trình hiển thị trao đổi thông tin và điều khiển theo ý muốn. Điều này rất dễ dàng nhờ sự điều khiển linh hoạt của HMI. Ngày nay, hầu hết trong các dây chuyền sản xuất tự động, robot công nghiệp, máy tính điều khiển sản xuất, hệ thống điện HMI và PLC được ứng dụng rất phổ biến. Đề tài: “Thiết kế mô hình điều khiển và giám sát hệ thống ATS dùng PLC và HMI” là bước vào con đường khám phá lĩnh vực tự động hóa, là một bộ phận rất quan trọng trong việc đảm bảo tính liên tục trong cung cấp điện để hạn chế các phế phẩm, sự cố không mong muốn do mất điện gây ra. Đồ án tốt nghiệp Trang 1
18. Chương 1. Dẫn nhập Nhanh chóng báo các sự cố về điện cũng như tình trạng hoạt động của tải, để ta có thể khắc phục nhanh chóng và hiệu quả thông qua màn hình HMI. Chính vì thế, đây là một đề tài rất cần thiết trong sản xuất nhằm củng cố, cập nhật những kiến thức mới giúp sinh viên mới ra trường bước vào môi trường làm việc tự tin hơn, vững vàng hơn. 1.3. Mục đích và mục tiêu của đề tài Khi nghiên cứu thực tiễn đề tài này, nhóm chúng em muốn phát huy thành quả ứng dụng của thiết bị bảo vệ và tự động hóa nhằm đảm bảo cho các xí nghiệp, công ty được cung cấp điện liên tục. Ở đề tài này thì điều quan trọng cần rút ra là thấy được khả năng ứng dụng của PLC, sự giao tiếp giữa người và thiết bị thông qua màn hình giám sát là như thế nào. Trong quá trình nghiên cứu đề tài này nhóm thực hiện đã học hỏi được rất nhiều kinh nghiệm quý báu và đồng thời có thể áp dụng những lý thuyết đã học được trên lớp vào trong thực tế. Từ đó tạo nên một cơ sở, một nền tảng vững chắc sau khi chúng em ra trường. 1.4. Nội dung nghiên cứu Do điều kiện và khả năng còn nhiều hạn chế nên trong đề tài này nhóm thực hiện chỉ nghiên cứu những nội dung sau: Lập trình điều khiển hệ thống ATS trên bộ PLC- CP1E-N20DR-A của hãng Omron bằng phần mềm CX-Programmer. Nghiên cứu, tạo giao diện để điều khiển hệ thống ATS trên màn hình NB5Q-TW00B với phần mềm NB-Designer Version 1.23. Thực hiện kết nối giữa NB5Q-TW00B với PLC CP1E-N20DR-A. Thi công mô hình. 1.5. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 1.5.1. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu, ứng dụng PLC-CP1E-N20DR-A và NB5Q-TW00B điều khiển hệ thống ATS. 1.5.2. Phạm vi nghiên cứu PLC-CP1E-N20DR-A. Phần mềm CX-Programmer của hãng Omron. Màn hình NB5Q-TW00B của hãng Omron. Phần mềm NB-Designer Version 123. Hệ thống ATS. Đồ án tốt nghiệp Trang 2
19. PHẦN B
20. CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ LUẬN & THỰC TIỄN
21. Chương 2. Cơ sở lý luận và thực tiễn. Chương 2. CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN 2.1. Khảo sát PLC CP1E-N20DR-A 2.1.1. Giới thiệu về PLC CP1E-N20DR-A CP1E-N20DR-A là bộ điều khiển lập trình loại nhỏ của Omron. Các bộ điều khiển chương trình loại CP1E-N20DR-A kết hợp rất nhiều chức năng bao gồm điều khiển xung đồng bộ, hiệu chỉnh analog và chức năng đồng hồ. Ngoài ra bộ điều khiển CP1E-N20DR-A còn là một bộ điều khiển độc lập có khả năng xử lý các ứng dụng điều khiển máy. Bởi vậy, nó là một bộ điều khiển PLC lý tưởng cho các thiết bị. CP1E-N20DR-A có chức năng kết nối thông tin với các máy tính cá nhân, với các PLC khác của Omron và với các màn hình giao diện khác. Khả năng kết nối này, cho phép người sử dụng có thể thiết kế một hệ thống sản xuất phân tán và tiết kiệm chi phí. Hình 2.1 PLC-CP1E-N20DR-A. 2.1.2. Các thành phần trên bộ CP1E-N20DR-A Các thành phần trên bộ CP1E-N20DR-A được thể hiện như hình 2.2. Hình 2.2 Các thành phần trên bộ CP1E-N20DR-A. Đồ án tốt nghiệp Trang 3
22. S K L 0 0 2 1 5 4