Điều khiển ATS bằng PLC S7-400

Việc ứng dụng PLC S7-400 trong hệ thống ATS mang lại nhiều ưu điểm vượt trội. Đầu tiên, nó giúp giảm bớt quá trình ghép nối dây dẫn, từ đó làm giảm đáng kể giá thành đầu tư ban đầu. Thêm vào đó, kích thước nhỏ gọn của PLC S7-400 giúp giảm diện tích lắp đặt, một yếu tố quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và dân dụng. Hệ thống vận hành ổn định, tin cậy, ít xảy ra sự cố hỏng hóc, nhờ khả năng chống nhiễu tốt và tốc độ xử lý nhanh chóng. Cấu trúc mô đun của PLC S7-400 cũng giúp quá trình bảo trì, bảo dưỡng trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn, tiết kiệm thời gian và chi phí. Nhìn chung, việc lựa chọn PLC S7-400 tối ưu hóa hiệu quả hoạt động và chi phí cho hệ thống ATS.

PLC S7-400 nổi bật với khả năng xử lý mạnh mẽ và tốc độ cao, thời gian xử lý lệnh chỉ từ 0.1 đến 0.2µs, chu kỳ quét nhỏ. Bộ lệnh hoàn chỉnh đáp ứng được các nhiệm vụ phức tạp. Hệ thống hỗ trợ bộ nhớ mở rộng (MMC- flash EPROM) cho phép lưu trữ và sao lưu dữ liệu. Về khả năng truyền thông, PLC S7-400 cung cấp nhiều giao diện như MPI, cho phép kết nối với các hệ thống PG/PC, HMI với tốc độ lên tới 187.5Kbit/s, tích hợp nhiều điểm MPI (tối đa 125 điểm). Ngoài ra, còn có giao diện DP, các cổng serial RS422/RS485 (tốc độ 38.4Kbit/s) và giao diện PROFIBUS – DP, hỗ trợ việc tạo ra hệ thống điều khiển phân tán. Tính năng chia sẻ cho phép điều khiển, giám sát và lập trình thông qua cả hai giao diện MPI và DP, tăng tính linh hoạt cho người sử dụng. Những tính năng này làm cho PLC S7-400 trở thành một lựa chọn tối ưu cho hệ thống ATS.

Việc tích hợp PLC S7-400 vào hệ thống ATS giải quyết được bài toán cung cấp điện liên tục, đặc biệt quan trọng trong các lĩnh vực công nghiệp và dân dụng. PLC S7-400 giám sát các thông số của nguồn điện chính và dự phòng, từ đó đưa ra quyết định chuyển đổi nguồn một cách chính xác và nhanh chóng. Khả năng xử lý nhanh chóng và chính xác của PLC S7-400 giúp giảm thiểu thời gian gián đoạn cung cấp điện, đảm bảo hoạt động liên tục của các thiết bị. Hệ thống mô đun linh hoạt của PLC S7-400 cho phép dễ dàng mở rộng và tùy chỉnh phù hợp với các yêu cầu cụ thể của hệ thống ATS. Với khả năng kết nối mạng công nghiệp, PLC S7-400 còn cho phép tích hợp hệ thống ATS vào hệ thống giám sát và điều khiển tổng thể của nhà máy, xí nghiệp.

Trung tâm của hệ thống PLC S7-400 là mô đun CPU, thực hiện chức năng xử lý thông tin, nhận tín hiệu đầu vào và tạo ra tín hiệu điều khiển. CPU bao gồm bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ (ROM, EPROM, RAM), bộ đếm thời gian, và các cổng truyền thông. Loại bộ nhớ sử dụng phụ thuộc vào yêu cầu người dùng; ROM là bộ nhớ chỉ đọc, EPROM có thể xóa và ghi lại bằng tia cực tím, RAM là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên. CPU cũng có các cổng vào/ra số onboard, và có thể được trang bị pin dự phòng (EXT-BATT) cung cấp nguồn từ 5VDC đến 15VDC để duy trì hoạt động trong trường hợp mất điện, lưu giữ thông số thiết lập và nội dung RAM. Hệ thống giám sát điện áp ra, và phát tín hiệu lỗi về CPU nếu có sự cố. Việc sử dụng pin dự phòng cho phép khởi động lại CPU sau khi có điện trở lại.

Hệ thống PLC S7-400 được cấu tạo từ nhiều mô đun nhỏ, bao gồm mô đun CPU (mô đun chính), các mô đun truyền nhận tín hiệu, và các mô đun chức năng chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ. Các mô đun được lắp đặt trên giá lắp, có thể là giá lắp trung tâm (UR1 hoặc UR2, chứa 18 hoặc 19 vị trí mô đun) hoặc giá lắp mở rộng (ER1, ER2, chứa tới 18 hoặc 19 khe cắm). Giá lắp UR2-H có hai phân đoạn, mỗi đoạn có 9 khe cắm và cần nguồn cung cấp riêng. Nếu cần thêm mô đun, có thể sử dụng các giá lắp mở rộng và kết nối với giá lắp trung tâm bằng mô đun giao tiếp IM (lắp ở cực phải của giá lắp mở rộng). Có thể kết nối tối đa 21 giá lắp mở rộng. Địa chỉ của mỗi giá lắp được đặt bằng phím trên mô đun. Hệ thống cũng tích hợp quạt làm mát với điện áp 24VDC và 120/230VAC, có 10 bộ lọc bụi.

Mô đun vào số biến đổi tín hiệu ngoại lai (thường là 24V một chiều hoặc 120/230V) thành tín hiệu nội bộ. Các cảm biến đầu vào cần được quy định về điện áp và dòng điện. Tín hiệu cần được lọc để loại bỏ nhiễu và điện áp quá độ. Mô đun vào số có khả năng xử lý tín hiệu ngắt để giảm độ trễ. Mô đun ra số cần được lựa chọn phù hợp với công suất đóng cắt, mức tải điện áp và dòng điện dư. Một tín hiệu đầu ra (OD) có thể vô hiệu hóa tất cả mô đun ra số. Mô đun vào tương tự sử dụng phương pháp tích phân để biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số. Thời gian biến đổi phụ thuộc vào tần số điện áp (2.5/20/20/100ms), độ phân giải từ 9 đến 15 bit. Mô đun ra tương tự biến đổi giá trị số thành điện áp và dòng điện tương tự. Các tín hiệu được cách ly điện.

Chương trình điều khiển cho PLC S7-400 có thể được tạo lập theo hai phương pháp chính: lập trình tuyến tính và lập trình có cấu trúc. Trong lập trình tuyến tính, toàn bộ chương trình nằm trong một khối bộ nhớ duy nhất (OB1), được PLC quét và thực thi tuần tự từ đầu đến cuối. Phương pháp này phù hợp với các bài toán tự động hóa nhỏ, đơn giản. Ngược lại, lập trình có cấu trúc chia nhỏ chương trình thành các khối con (FC hoặc FB), mỗi khối thực hiện một nhiệm vụ cụ thể. Các khối con được gọi và quản lý một cách thống nhất bởi khối OB1. Phương pháp này hiệu quả hơn với các bài toán phức tạp, giúp tổ chức code rõ ràng và dễ bảo trì. Tuy nhiên, lập trình có cấu trúc có hạn chế về độ sâu đệ quy của các chương trình con, phụ thuộc vào khả năng của mô đun CPU.

PLC S7-400 hỗ trợ 4 ngôn ngữ lập trình cơ bản. Trong đó, ngôn ngữ liệt kê lệnh (STL - Statement List) được đề cập, đây là ngôn ngữ lập trình tương tự như ngôn ngữ lập trình thông thường của máy tính. Chương trình được xây dựng bằng cách ghép nối các câu lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh nằm trên một hàng với cấu trúc chung là "câu lệnh + toán hạng". Các vùng nhớ được sử dụng trong lập trình bao gồm: Q (Process image output) – vùng bộ đệm dữ liệu cổng ra số, M (Memory) – vùng biến cờ dùng để lưu trữ các tham số và có thể truy cập theo bit, byte, từ hoặc từ kép. Việc lựa chọn ngôn ngữ lập trình phù hợp sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả và khả năng bảo trì chương trình.

Hệ thống ATS (Automatic Transfer Switch) tự động chuyển đổi nguồn điện từ nguồn chính sang nguồn dự phòng khi nguồn chính gặp sự cố như mất pha, mất nguồn, điện áp cao hoặc thấp bất thường. Nếu nguồn dự phòng là từ một lưới điện khác, ta gọi là ATS lưới-lưới. Nếu nguồn dự phòng từ máy phát, ta có ATS lưới-máy phát hoặc lưới-lưới-máy phát. Thời gian chuyển đổi từ nguồn chính sang nguồn dự phòng rất ngắn, thường từ 1 đến 5 giây (t1). Sau khi chuyển sang nguồn dự phòng (máy phát), hệ thống sẽ kiểm tra xem nguồn chính đã hồi phục chưa trong khoảng thời gian từ 1 đến 25 giây (t2). Nếu nguồn chính chưa hồi phục, tải sẽ được tiếp tục cấp điện từ máy phát. Khi nguồn chính hồi phục, tải sẽ được chuyển trở lại từ máy phát về nguồn chính trong khoảng thời gian từ 3 giây đến 2 phút (t3). Máy phát sẽ chạy không tải một thời gian để làm mát (t4, từ 1 đến 2 phút) trước khi tự tắt.

Trong hệ thống ATS lưới – máy phát, quá trình chuyển đổi phức tạp hơn so với hệ thống ATS lưới – lưới vì cần thêm bước khởi động máy phát. Khi nguồn chính bị lỗi, tín hiệu sẽ được gửi đến để khởi động máy phát. Quá trình khởi động có thể được thực hiện tối đa 3 lần, nếu không thành công sau 3 lần thì hệ thống sẽ tự động khóa và phát tín hiệu cảnh báo. Nếu khởi động thành công, máy phát sẽ chạy không tải trong một thời gian ngắn (3-10 phút) để làm mát trước khi tự động tắt. Thời gian chuyển đổi nguồn từ lưới điện sang máy phát rất ngắn, khoảng 2-5 giây. Hệ thống ATS sẽ giám sát chất lượng điện áp của máy phát trước khi chuyển mạch. Tất cả các thời gian trên (t1, t2, t3, t4) đều có thể được điều chỉnh thông qua các nút đặt thời gian trên thiết bị. Bộ điều khiển ATS có nguồn dự phòng nội bộ, duy trì trong 3 phút, không cần dùng thêm UPS hoặc ắc quy.

Hệ thống ATS được trang bị cầu chì F1 để bảo vệ quá tải và ngắn mạch. Contactor A và B được sử dụng để đóng cắt mạch điện cho tải từ nguồn chính và nguồn dự phòng, đảm bảo không có hiện tượng cả hai nguồn cùng cấp điện cho tải. Hệ thống có cảnh báo chuyển mạch không thành công, thường do lỗi cơ khí hoặc mô tơ của Transfer Switch. Hệ thống cũng cho phép điều khiển chuyển mạch từ xa (Remote Transfer Control – RMT) và kiểm tra tải từ xa. Khi có tín hiệu tích cực ở ngõ vào, chuyển mạch sẽ được thực hiện; khi ngõ vào không tích cực, bộ chuyển mạch sẽ quay về vị trí ban đầu. Bộ ATS giám sát các thông số kỹ thuật của nguồn chính và dự phòng để cung cấp nguồn cho tải một cách an toàn, tin cậy và hiệu quả. Phần mạch lực gồm mạch nguồn chính (MAINS SUPPLY) 3 pha 4 dây (L1, L2, L3, N) và mạch nguồn dự phòng, có trung tính nối chung.

Đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành mục tiêu thiết kế và xây dựng một hệ thống chuyển nguồn tự động ATS sử dụng PLC S7-400. Trong thời gian 12 tuần, mặc dù thời gian hạn chế, đồ án đã thành công trong việc tích hợp PLC S7-400 vào hệ thống ATS, chứng minh được khả năng của PLC S7-400 trong việc đảm bảo cung cấp điện liên tục và ổn định. Hệ thống ATS hoạt động hiệu quả, đáp ứng yêu cầu về độ tin cậy và an toàn, giảm thiểu thời gian gián đoạn nguồn điện. Việc sử dụng PLC S7-400 đã mang lại nhiều lợi ích về chi phí, diện tích lắp đặt, và khả năng bảo trì, bảo dưỡng.

Do thời gian thực hiện đồ án có hạn và kiến thức lý thuyết còn nhiều hạn chế, đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Kinh nghiệm thực tế còn chưa nhiều cũng là một hạn chế. Đề tài này còn khá mới mẻ, cần thêm thời gian nghiên cứu và thử nghiệm thực tế để hoàn thiện hơn nữa. Trong tương lai, có thể mở rộng nghiên cứu về việc tối ưu hóa thời gian chuyển mạch, tăng cường khả năng giám sát và cảnh báo lỗi, tích hợp với các hệ thống giám sát từ xa hiện đại hơn. Việc nghiên cứu sâu hơn về các thuật toán điều khiển thông minh cũng là một hướng phát triển đáng chú ý để nâng cao hiệu quả của hệ thống ATS.