Báo Cáo Tốt Nghiệp: Thiết Kế và Lắp Đặt Tủ ATS Bằng PLC Smart Axis

• Đề tài: Thiết Kế và Lắp Đặt Tủ ATS Bằng PLC Smart Axis

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TỦ ATS
• 1.1. Giới thiệu chung về hệ thống ATS (Automatic Transfer Switch)
• 1.2. Nguyên lý hoạt động của tủ ATS
• 1.3. Hạn chế của ATS
• 1.4. Thiết kế sơ đồ tuyến chi tiết cho tủ ATS
• 1.5. Đặc tính thời gian của ATS
• 1.6. Quy cách chọn tủ ATS
• 1.7. Phương pháp chọn tủ ATS
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PLC
• 2.1. Giới thiệu chung về PLC
• 2.2. Cấu trúc, nguyên lý hoạt động của PLC
• 2.3. Chức năng của PLC
• 2.4. Đặc điểm nổi bật PLC IDEC
• 2.5. Các dòng sản phẩm PLC IDEC
• 2.6. Giới thiệu Smart Axis
• 2.7. Cách lựa chọn mã hàng PLC
• 2.8. Cách kết nối FT1A-H24RA
• 2.9. Phần mềm lập trình WindLDRV8 cho máy tính
• 2.10. Đặc điểm Smart Axis
• 2.11. Bộ nhớ SD
• 2.12. Tiêu chuẩn quốc tế
• 2.13. Đặc điểm chức năng Smart Axis
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC THIẾT BỊ TRONG TỦ ATS
• 3.1. Khái niệm
• 3.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
• 3.3. Phân loại
• 3.4. MX200A Relay
• 3.5. Chức năng
• 3.6. Thông số kĩ thuật
• DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH VẼ
• NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
• NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

Tóm tắt

I. Tổng quan giải pháp tủ ATS bằng PLC Smart Axis ưu việt

Trong bối cảnh hiện đại, việc đảm bảo nguồn điện liên tục là yêu cầu cấp thiết cho các phụ tải quan trọng như bệnh viện, trung tâm dữ liệu, nhà máy sản xuất. Bất kỳ sự gián đoạn nào cũng có thể gây ra những thiệt hại nghiêm trọng. Để giải quyết vấn đề này, hệ thống chuyển đổi nguồn điện tự động, hay tủ ATS (Automatic Transfer Switch), đã ra đời. Nhiệm vụ chính của tủ ATS là tự động chuyển nguồn lưới và máy phát khi nguồn chính gặp sự cố, đảm bảo hệ thống điện dự phòng hoạt động liền mạch. Tuy nhiên, các hệ thống ATS truyền thống sử dụng rơ-le và timer cơ học thường thiếu đi sự linh hoạt, khó nâng cấp và bảo trì. Sự ra đời của bộ lập trình PLC đã mang lại một cuộc cách mạng. Việc thiết kế và lắp đặt tủ ATS bằng PLC Smart Axis là một giải pháp tiên tiến, mang lại độ tin cậy, khả năng tùy biến cao và hiệu suất vượt trội. PLC Smart Axis, một bộ điều khiển Smart Axis nhỏ gọn nhưng mạnh mẽ từ IDEC, cho phép lập trình PLC cho tủ ATS một cách dễ dàng, tối ưu hóa thời gian chuyển mạch và cung cấp khả năng giám sát nguồn điện toàn diện. Giải pháp này không chỉ nâng cao độ ổn định cho hệ thống điện mà còn đơn giản hóa quá trình thi công tủ điện công nghiệp và bảo trì tủ ATS sau này.

1.1. Khái niệm và vai trò của bộ chuyển nguồn tự động ATS

Một bộ chuyển nguồn tự động ATS là một hệ thống duy trì hoạt động liên tục của tải khi có sự cố mất điện. Theo tài liệu nghiên cứu, chức năng cốt lõi của nó là "tự động chuyển đổi nguồn cung cấp từ lưới điện sang máy phát sau khi lưới mất điện". Hệ thống này tự động khởi động và dừng máy phát, đảm bảo việc cung cấp điện cho phụ tải không bị gián đoạn. Khi điện áp lưới phục hồi và ổn định, tủ sẽ tự động chuyển tải trở lại nguồn chính và tắt máy phát sau một khoảng thời gian làm mát. Vai trò của ATS là tối quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu cấp điện 24/7 như bệnh viện, văn phòng chính phủ, và các trung tâm tài chính, nơi mà việc mất điện dù chỉ trong vài giây cũng có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng.

1.2. Ưu điểm vượt trội khi dùng PLC Smart Axis điều khiển

Việc tích hợp PLC Smart Axis vào tủ điện ATS PLC mang lại nhiều lợi ích so với các bộ điều khiển chuyên dụng hoặc mạch rơ-le truyền thống. Thứ nhất, PLC cung cấp sự linh hoạt tối đa; logic điều khiển có thể dễ dàng được sửa đổi thông qua phần mềm mà không cần thay đổi phần cứng. Thứ hai, bộ điều khiển Smart Axis cho phép thiết lập các khoảng thời gian trễ, trình tự chuyển mạch và các điều kiện giám sát một cách chính xác. Điều này giúp bảo vệ máy phát và phụ tải tốt hơn. Thứ ba, PLC có khả năng giao tiếp với các hệ thống khác như SCADA hoặc BMS, cho phép giám sát và điều khiển từ xa. Cuối cùng, việc sử dụng PLC giúp giảm số lượng rơ-le trung gian, timer, và dây nối, làm cho tủ điện điều khiển tự động trở nên gọn gàng, đáng tin cậy và dễ dàng khắc phục sự cố hơn.

II. Thách thức trong việc đảm bảo hệ thống điện dự phòng

Việc duy trì một hệ thống điện dự phòng hoạt động hoàn hảo không phải là một nhiệm vụ đơn giản. Các hệ thống điện công nghiệp và dân dụng thường xuyên phải đối mặt với nhiều loại sự cố khác nhau. Theo tài liệu gốc, các sự cố có thể bao gồm: "Mất pha do đứt dây hoặc bị ngược pha, hoặc điện áp và dòng điện khác trị số danh định do bị quá tải hoặc bị ngắn mạch". Những sự cố này có thể xảy ra bất ngờ do thời tiết, lỗi thiết bị tại trạm biến áp, hoặc do bảo trì lưới điện. Thách thức lớn nhất là làm sao để hệ thống có thể phát hiện sự cố một cách nhanh chóng và chuyển đổi sang nguồn dự phòng một cách an toàn, tin cậy mà không làm gián đoạn hoạt động của các thiết bị nhạy cảm. Các hệ thống ATS truyền thống, mặc dù thực hiện được chức năng cơ bản, nhưng thường gặp hạn chế về tốc độ phản ứng, độ chính xác trong việc giám sát nguồn điện, và khả năng tùy chỉnh các thông số vận hành. Việc nâng cấp tủ ATS cũ để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao cũng là một bài toán khó, đòi hỏi một giải pháp thông minh và linh hoạt hơn.

2.1. Các sự cố thường gặp trong hệ thống điện công nghiệp

Hệ thống điện công nghiệp phải đối mặt với nhiều rủi ro. Mất điện đột ngột là sự cố phổ biến nhất. Sụt áp hoặc quá áp cũng thường xuyên xảy ra, có thể làm hỏng các thiết bị điện tử nhạy cảm. Mất pha là một sự cố nguy hiểm, đặc biệt đối với các động cơ ba pha, có thể gây cháy động cơ. Ngoài ra, các hiện tượng như nhiễu điện, sai thứ tự pha, hoặc tần số không ổn định cũng là những vấn đề cần được hệ thống ATS giám sát và xử lý. Một giải pháp tủ ATS dùng PLC hiện đại phải có khả năng phát hiện chính xác tất cả các loại sự cố này để đưa ra quyết định chuyển mạch phù hợp, bảo vệ an toàn cho cả phụ tải và nguồn điện dự phòng.

2.2. Hạn chế của các hệ thống ATS truyền thống không PLC

Các hệ thống ATS truyền thống thường sử dụng các bộ điều khiển chuyên dụng (ATS Controller) hoặc các mạch logic được xây dựng từ rơ-le và timer. Hạn chế chính của chúng là tính cứng nhắc. Mọi logic điều khiển được thiết lập cố định bằng phần cứng, khiến việc thay đổi thông số vận hành (như thời gian trễ, ngưỡng điện áp) trở nên phức tạp. Khả năng giám sát cũng bị giới hạn, thường chỉ báo các trạng thái cơ bản. Khi xảy ra lỗi, việc chẩn đoán và sửa chữa có thể tốn nhiều thời gian do hệ thống dây nối phức tạp. Hơn nữa, chúng không có khả năng kết nối mạng để giám sát từ xa, một yêu cầu ngày càng quan trọng trong công nghiệp 4.0.

III. Hướng dẫn thiết kế tủ ATS bằng PLC Smart Axis chi tiết

Quá trình thiết kế và lắp đặt tủ ATS bằng PLC Smart Axis đòi hỏi sự kết hợp giữa kiến thức về khí cụ điện và kỹ năng lập trình. Một bản thiết kế tốt phải đảm bảo an toàn, hiệu quả và dễ dàng cho việc thi công tủ điện công nghiệp và bảo trì. Trọng tâm của hệ thống là PLC Smart Axis, đóng vai trò là bộ não điều khiển toàn bộ hoạt động. Xung quanh nó là các thiết bị trong tủ ATS như Contactor hoặc ACB (Máy cắt không khí) để thực hiện việc đóng cắt mạch động lực. Các rơ-le bảo vệ (như Mikro MX200A được đề cập trong tài liệu) được sử dụng để giám sát nguồn điện, phát hiện các sự cố về áp, pha. Toàn bộ hệ thống được thiết kế dựa trên một sơ đồ nguyên lý tủ ATS PLC chi tiết, phân tách rõ ràng giữa mạch động lực và mạch điều khiển. Mạch động lực xử lý dòng tải lớn, trong khi mạch điều khiển với điện áp thấp (thường là 24VDC) kết nối các tín hiệu đầu vào (từ rơ-le, nút nhấn) đến PLC và tín hiệu đầu ra (từ PLC đến cuộn hút contactor). Thiết kế này không chỉ đảm bảo an toàn mà còn tối ưu hóa hiệu suất của bộ chuyển nguồn tự động ATS.

3.1. Các thiết bị trong tủ ATS và chức năng cốt lõi

Một tủ điện ATS PLC hoàn chỉnh bao gồm các thành phần chính: PLC Smart Axis FT1A-H24RA làm bộ điều khiển trung tâm; hai Contactor (hoặc ACB) để đóng cắt nguồn lưới và nguồn máy phát; hai Relay bảo vệ điện áp Mikro MX200A để giám sát chất lượng nguồn; các MCB để bảo vệ ngắn mạch cho mạch động lực và mạch điều khiển; các Relay trung gian để cách ly và khuếch đại tín hiệu từ PLC; nút nhấn và công tắc chuyển chế độ (MAN/AUTO); và đèn báo trạng thái. Tài liệu nghiên cứu nhấn mạnh vai trò của Relay MX200A trong việc "giám sát sự cố pha, giới hạn điện áp điều chỉnh, và điều chỉnh thời gian trễ", cung cấp các tín hiệu đầu vào quan trọng cho PLC xử lý.

3.2. Phân tích sơ đồ nguyên lý tủ ATS PLC và mạch động lực

Sơ đồ nguyên lý là bản vẽ kỹ thuật quan trọng nhất. Sơ đồ mạch động lực (Hình 4.1 trong tài liệu) mô tả cách hai nguồn điện (lưới và máy phát) được kết nối đến tải thông qua các thiết bị đóng cắt K1 và K2 (Contactor). Thiết kế này phải có cơ chế khóa chéo (cơ khí và điện) để đảm bảo tại một thời điểm chỉ có một nguồn được kết nối với tải, tránh tuyệt đối trường hợp hai nguồn bị đấu song song. Sơ đồ mạch điều khiển (Hình 4.3 trong tài liệu) mô tả cách PLC kết nối với các thiết bị khác. Các tín hiệu từ Relay bảo vệ và công tắc chế độ được đưa vào ngõ vào (Input) của PLC. Dựa trên chương trình, PLC sẽ xuất tín hiệu tại các ngõ ra (Output) để điều khiển cuộn hút của Contactor và tín hiệu khởi động máy phát.

IV. Phương pháp lập trình PLC và vận hành tủ điện ATS PLC

Linh hồn của tủ điện ATS PLC chính là chương trình được nạp vào bộ lập trình PLC. Quá trình lập trình PLC cho tủ ATS sử dụng phần mềm chuyên dụng như WindLDRV8 (được đề cập trong tài liệu gốc) với ngôn ngữ lập trình Ladder Logic (LAD) trực quan, mô phỏng lại sơ đồ mạch rơ-le. Nguyên lý hoạt động tủ ATS được chia thành hai chế độ chính: Tự động (AUTO) và Thủ công (MAN). Ở chế độ AUTO, PLC liên tục giám sát nguồn điện lưới. Khi phát hiện sự cố (mất điện, thấp áp, mất pha), PLC sẽ tự động thực hiện một chuỗi hành động: ngắt contactor nguồn lưới, gửi tín hiệu khởi động máy phát, chờ máy phát ổn định, và cuối cùng là đóng contactor nguồn máy phát để cấp điện cho tải. Khi nguồn lưới phục hồi, quy trình ngược lại sẽ được thực hiện. Ở chế độ MAN, người vận hành có thể sử dụng các nút nhấn để trực tiếp điều khiển việc đóng cắt từng nguồn. Chương trình PLC phải bao gồm các khối timer để tạo thời gian trễ cần thiết, đảm bảo hệ thống vận hành ổn định và an toàn.

4.1. Quy trình lập trình PLC cho tủ ATS với phần mềm WindLDRV8

Theo tài liệu, phần mềm WindLDRV8 cho phép lập trình, mô phỏng và giám sát. Quy trình lập trình bắt đầu bằng việc xác định các ngõ vào (Inputs) và ngõ ra (Outputs) dựa trên sơ đồ đấu dây. Ví dụ, tín hiệu từ Relay bảo vệ lưới là Input I6, tín hiệu điều khiển Contactor lưới là Output Q0. Tiếp theo, xây dựng logic điều khiển bằng ngôn ngữ Ladder. Logic này bao gồm các điều kiện để khởi động máy phát, các timer tạo trễ (trễ khởi động, trễ chuyển mạch, trễ làm mát), và logic khóa chéo để ngăn hai Contactor cùng đóng. Sau khi viết xong, chương trình được mô phỏng trên phần mềm để kiểm tra lỗi trước khi nạp vào PLC.

4.2. Nguyên lý hoạt động tủ ATS ở chế độ Tự động và Thủ công

Tài liệu mô tả chi tiết hai chế độ. Ở chế độ Thủ công (MAN), khi nhấn 'ON Lưới', PLC sẽ kiểm tra tín hiệu từ relay bảo vệ, nếu nguồn lưới ổn định (I6 tác động), nó sẽ cấp nguồn cho Contactor lưới (Q0). Tương tự cho máy phát. Chế độ này hữu ích cho việc bảo trì và kiểm tra. Ở chế độ Tự động (AUTO), PLC toàn quyền quyết định. Khi nguồn lưới lỗi, PLC thực thi một thuật toán đã được lập trình sẵn: "Q2 đóng lại cấp điện RLTG (đề) gọi máy phát... sau khi máy phát đề, máy phát sẽ cấp nguồn cho MX200A (Máy phát)... sau 3s Q1 đóng lại cấp điện... cho contactor máy phát hoạt động". Quá trình này đảm bảo một hệ thống chuyển đổi nguồn điện hoàn toàn tự động và đáng tin cậy.

V. Bí quyết thi công và lắp đặt tủ ATS PLC Smart Axis hiệu quả

Việc thi công tủ điện công nghiệp, đặc biệt là tủ điện ATS PLC, đòi hỏi sự chính xác và tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn kỹ thuật. Hiệu quả của hệ thống không chỉ phụ thuộc vào thiết kế và lập trình mà còn ở chất lượng lắp đặt. Bước đầu tiên là bố trí các thiết bị trong tủ ATS một cách khoa học. Các thiết bị động lực như Contactor, ACB và MCB tổng nên được đặt ở khu vực riêng, dễ tiếp cận và có không gian tản nhiệt. PLC Smart Axis và các rơ-le điều khiển nên được đặt ở khu vực riêng biệt, tránh nhiễu từ các thiết bị công suất lớn. Việc đi dây phải gọn gàng, được đánh số rõ ràng theo bản vẽ thiết kế để thuận tiện cho việc kiểm tra và bảo trì tủ ATS. Tài liệu nghiên cứu đã trình bày một mô hình hoàn thiện (Hình 5.3 và 5.4), cho thấy việc bố trí hợp lý các đèn báo, công tắc trên mặt tủ và các thiết bị bên trong. Kết quả cuối cùng là một tủ điện điều khiển tự động vận hành ổn định, đáp ứng đúng yêu cầu thiết kế và sẵn sàng cho các ứng dụng thực tế.

5.1. Bố trí thiết bị trên tủ điện điều khiển tự động tối ưu

Việc sắp xếp thiết bị một cách logic là rất quan trọng. Mặt ngoài tủ (Hình 5.3) cần có các đèn báo pha, đèn báo trạng thái tải (On Load), công tắc chọn chế độ, và các nút nhấn điều khiển. Cách bố trí này giúp người vận hành dễ dàng giám sát và thao tác. Bên trong tủ (Hình 5.4), các thiết bị nên được nhóm theo chức năng: khối nguồn và PLC, khối rơ-le trung gian, khối khí cụ đóng cắt động lực. Việc sử dụng thanh ray (DIN rail) và máng cáp giúp việc lắp đặt nhanh chóng và chuyên nghiệp. Đảm bảo khoảng cách an toàn giữa các thiết bị để tránh quá nhiệt và phóng điện.

5.2. Kết quả vận hành thực tế và ứng dụng của mô hình

Mô hình tủ ATS được xây dựng trong đề tài đã chứng minh tính hiệu quả của giải pháp. Kết luận của tài liệu khẳng định: "Sau khi vận hành thử nghiệm thấy tủ làm việc ổn định. Các thiết bị được lựa chọn phù hợp với yêu cầu của tải, đảm bảo làm việc ổn định lâu dài". Điều này cho thấy giải pháp tủ ATS dùng PLC là hoàn toàn khả thi và đáng tin cậy. Mô hình này có thể được ứng dụng rộng rãi trong thực tế để chuyển nguồn lưới và máy phát cho các tòa nhà văn phòng, nhà máy, bệnh viện, trang trại, hoặc bất kỳ nơi nào yêu cầu một hệ thống điện dự phòng hoạt động liền mạch và thông minh.