BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TẠ DUY HIỂN

TỰ ĐỘNG HÓA CHO TRẠM BIẾN ÁP
TÂN PHÚ 3 -320kVA-35/0,4kV BẰNG PLC S7-300

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội - 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TẠ DUY HIỂN

TỰ ĐỘNG HÓA CHO TRẠM BIẾN ÁP
TÂN PHÚ 3 -320kVA-35/0,4kV BẰNG PLC S7-300

Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
GS.TS Phan Xuân Minh

Hà Nội - 2016


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Tạ Duy Hiển
Đề tài luận văn: Tự động hóa cho trạm biến áp Tân Phú 3 -320kVA35/0,4kV bằng PLC S7-300
Chuyên ngành: Điều khiển và tự động hóa
Mã số HV: CA140406
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận
tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày….........................………… với các nội dung sau:
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................

Giáo viên hướng dẫn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

Tác giả luận văn



LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng
dẫn khoa học của GS.TS Phan Xuân Minh. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong
đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây.
Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét,
đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần
tài liệu tham khảo.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về
nội dung luận văn của mình. Trường đại học Bách khoa Hà Nội không liên quan
đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện
(nếu có).
Hà Nội, ngày … tháng …. năm 2016
Tác giả luận văn

Tạ Duy Hiển


MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các hình
PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TBA TÂN PHÚ 3 VÀ CÁC VẤN ĐỀ ĐIỀU
KHIỂN TRONG TRẠM BIẾN ÁP ............................................................................ 3
1.1. Tìm hiểu hệ thống điều khiển và giám sát tại Trạm biến áp Tân Phú 3 .......... 3
1.1.1. Giới thiệu về trạm biến áp Tân Phú 3....................................................... 3
1.1.2. Hệ thống thiết bị của TBA........................................................................ 3
1.1.3. Nguyên lý hoạt động ................................................................................ 3

1.2. Các bài toán điều khiển với TBA .................................................................... 4
1.2.1. Bài toán điều khiển máy cắt ..................................................................... 4
1.2.2. Bài toán điều khiển dao cách ly................................................................ 6
1.2.3. Bài toán điều khiển vận hành máy biến áp ............................................... 8
1.2.4. Bài toán phân phối phụ tải ........................................................................ 9
1.3. Hiện trạng hệ thống điều khiển và giám sát tại trạm biến áp Tân Phú .......... 11
1.3.1. Hệ thống điều khiển đóng cắt ................................................................. 11
1.3.2. Hệ thống thiết bị đóng, cắt tại TBA ....................................................... 11
1.3.3. Hệ thống giám sát ................................................................................... 11
1.4. Kết luận chương 1 .......................................................................................... 12
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC S7300, PHẦN MỀM SETP 7, WINCC........................................................................ 13
2.1. Thiết bị điều khiển lập trình PLC S7-300 của Simen .................................... 13
2.1.1. Giới thiệu ................................................................................................ 13
2.1.2. Các modul của PLC S7-300 ................................................................... 13
2.1.3. Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng ............................... 19


2.1.4. Mạng Truyền Thông Bus........................................................................ 19
2.1.5. Mạng Module ......................................................................................... 20
2.1.6. Địa chỉ vào ra số và cấu trúc bộ nhớ ...................................................... 22
2.1.7. Ngôn ngữ lập trình.................................................................................. 25
2.1.8. Qui trình thiết kế chương trình điều khiển dùng PLC ............................ 26
2.2. Phần mềm Step 7 ........................................................................................... 28
2.2.1. Giới thiệu ................................................................................................ 28
2.2.2. Thực hiện 1 dự án trên Step 7................................................................. 29
2.3. Phần mềm WIN CC ....................................................................................... 32
2.3.1. Giới thiệu: ............................................................................................... 32
2.3.1. Thực hiện 1 dự án trên WinCC .............................................................. 33
2.4. Kết luận chương 2 .......................................................................................... 40
CHƯƠNG 3. TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHO

TBA TÂN PHÚ 3...................................................................................................... 41
3.1. Tổng hợp hệ thống điều khiển ....................................................................... 41
3.1.1. Xác định các yêu cầu của hệ thống ........................................................ 41
3.1.2. Lưu đồ thuật toán điều khiển .................................................................. 41
3.1.3. Bố trí địa chỉ vào/ra cho PLC ................................................................. 42
3.1.4. Lựa chọn phần cứng: .............................................................................. 45
3.1.5. Chương trình điều khiển trạm biến áp Tân Phú 3 .................................. 45
3.2. Thiết kế hệ thống giám sát bằng phần mềm WinCC ..................................... 45
3.3. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 46
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................ 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 48
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 49


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2-1. Hệ thống kết nối PLC với PC qua cáp MPI..............................................13
Hình 2-2: Modul CPU ...............................................................................................14
Hình 2-3: Sơ đồ bố trí một trạm PLC( S7-300). .......................................................15
Hình 2-4: Modul ghép nối IM360 và IM361 ............................................................18
Hình 2-5: Thanh Rack ...............................................................................................18
Hình 2-6: Sơ đồ tổng quát của một trạm PLC S7-300 .............................................18
Hình 2-7: Truyền thông giữa máy tính, PLC và cơ cấu chấp hành ..........................19
Hình 2-8: Sơ đồ kết nối mạng MPI ...........................................................................20
Hình 2-9: Sơ đồ kết nối mạng PROFIBUS ...............................................................20
Hình 2-10: Mô hình một mạng AS-I công nghiệp ....................................................21
Hình 2-11: Sơ đồ kết nối mạng P-to-P Link .............................................................21
Hình 2-12: Sơ đồ kết nối mạng Industrial Ethernet công nghiệp .............................22
Hình 2-13: Địa chỉ vào ra của các modul số .............................................................22
Hình 2-14: Ví dụ kiểu lập trình LAD. .......................................................................25
Hình 2-15: Ví dụ kiểu lập trình FBD ........................................................................25

Hình 2-16: Ví dụ kiểu lập trình STL. ........................................................................26
Hình 2-17: Ngôn ngữ tối ưu nhất ..............................................................................26
Hình 2-18: Qui trình thiết kế một hệ thống điều khiển tự động................................27


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trạm biến áp đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống năng lượng. Cùng
với sự phát triển của hệ thống năng lượng điện quốc gia, dẫn đến ngày càng xuất
hiện nhiều nhà máy điện và trạm biến áp có công suất lớn. Việc giải quyết đúng đắn
các vấn đề kinh tế, kỹ thuật trong thiết kế, xây dựng và vận hành chúng sẽ mang lại
lợi ích không nhỏ đối với nền kinh tế quốc dân nói chung và đối với ngành công
nghiệp điện nói riêng.
Để đảm bảo cho việc cung cấp điện được tốt đòi hỏi phải xây dựng được một
hệ thống gồm các khâu sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng hoạt động một
cách thống nhất với nhau. Trong đó, trạm biến áp là một mắt xích đóng vai trò rất
quan trọng trong hệ thống điện vì muốn truyền tải được điện năng đi xa hoặc giảm
điện áp xuống thấp cho phù hợp với nơi tiêu thụ ta dùng biến áp là kinh tế và thuận
tiện nhất.
Các thiết bị lắp đặt trong trạm biến áp là các thiết bị đắt tiền, so với đường
dây tải điện thì xác suất xảy ra sự cố ở trạm biến áp thấp hơn, tuy nhiên sự cố ở
trạm sẽ gây lên những hậu quả nghiêm trọng nếu không được loại trừ một cách
nhanh chóng và chính xác. Sự cố thường là ngắn mạch, quá tải, trạm biến áp còn có
các dạng sự cố khác xảy ra đối với máy biến áp như rò dầu, quá bão hòa mạch từ
v.v. Nguyên nhân của những sự cố, hư hỏng đó là do thiên tai bão lũ, do hao mòn
cách điện, do tai nạn ngẫu nhiên, do thao tác nhầm.v.v.
Từ các lý do trên và công việc hiện tại của tác giả luận văn, đề tài nghiên cứu
được đặt tên là: “Tự động hóa cho trạm biến áp Tân Phú 3-320kVA-35/0,4kV bằng
PLC S7-300” với mục đích đi sâu nghiên cứu ứng dụng của PLC S7 - 300 vào hệ
thống tự động hóa của trạm

2. Mục đích nghiên cứu:
Đề tài đặt ra mục tiêu chính là xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát cho
TBA Tân Phú 3 - 35/0,4kV xã Tân Phú - Huyện Tân Sơn - Tỉnh Phú Thọ. Qua đó
đề xuất những giải pháp cải tạo và nâng cấp các TBA sử dụng công nghệ cũ lạc hậu.
1


3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là: Trạm biến áp phân phối hạ áp đang còn
lạc hậu dẫn đến độ tin cậy cung cấp điện thấp.
Phạm vi nghiên cứu: Đề tài tập chung nghiên cứu để ứng dụng PLC S7 - 300
vào điều khiển và giám sát cho TBA phân phối.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu về lý thuyết xây dựng hệ thống điều khiển giám sát trạm biến áp
phân phối hạ áp.
5. Cấu trúc Luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, danh mục tài liệu tham khảo và
các phụ lục, nội dung chính của luận văn chia thành 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về TBA Tân Phú 3 và các vấn đề điều khiển trạm
biến áp trong lưới điện phân phối
Chương 2: Tìm hiểu hệ SIMATIC S7-300
Chương 3: Tổng hợp hệ thống điều khiển và giám sát vận hành TBA Tân Phú 3

2


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TBA TÂN PHÚ 3 VÀ CÁC VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN
TRONG TRẠM BIẾN ÁP
1.1. Tìm hiểu hệ thống điều khiển và giám sát tại Trạm biến áp Tân Phú 3

1.1.1. Giới thiệu về trạm biến áp Tân Phú 3
TBA Tân Phú 3 là TBA cấp điện cho dây truyền tuyển quặng sắt của công ty
Bắc Việt.
Toàn trạm biến áp được đặt trên mặt bằng 9x5,5(m). Trong trạm bao gồm
các thiết bị: Máy cắt điện, dao cách ly, các sứ cách điện, chống sét van, chống sét
ống, máy biến áp lực, biến dòng điện, biến điện áp, các cột chiếu sáng chống sét và
các phần tử bảo vệ.
Năm 2014 sau khi bổ xung thêm dây truyền sản xuất. Công ty đã nâng công
suất MBA 320kVA - 35/0,4kV lên 1000kVA - 35/0,4kV.
1.1.2. Hệ thống thiết bị của TBA
Các bản vẽ về hệ thống thiết bị của TBA được chi tiết hóa ở phụ lục 1. Các
thiết bị chính có trong hệ thống điện bao gồm:
+ 1 MBA 1000kVA-35/0,4kV(thay MBA 320kVA-35/0,4kV)
+ Máy cắt cao thế loại 3AF0143 - 40,5kV, 630A, Ik=25kA của Simens
+ Máy cắt hạ thế loại LG-1600A
+ 03 cầu dao ngoài trời loại DN-35kV-630A.
+ 03 biến dòng BD-385-1-M-1TS-DN, 35kV, 50/5A, của Việt nam
+ 03 biến dòng BD-385-1-M-1TS-DN, 35kV, 30/5A, của Việt Nam
+ 03 Biến điện áp PT-38,5-1PĐ-DN, 35000:√3/100: √3/100, của VN sản xuất
+ Chống sét van cooper 40,5kV
+ Các Attomat lộ ra
+ Attomat cấp nguồn dự phòng máy phát
1.1.3. Nguyên lý hoạt động
Sơ đồ nguyên lý chi tiết hoạt động của hệ thống được để ở Phụ lục 2.

3


TBA được cấp điện từ 1 nguồn duy nhất từ lộ 375 E4.8 do đó chỉ có 1
phương thức cấp điện từ lưới điện quốc gia duy nhất. Khi mất điện lưới hệ thống

điện của nhà máy được cấp điện từ máy phát dự phòng 250kVA-0,4kV.
Ở trạng thái bình thường nguồn điện cao thế được lấy từ lộ 375 E4.8 qua cầu
dao cách ly =E01-Q1, xuống máy cắt E01-Q0 đến cầu dao cách ly E01-Q3.
Sau đó nguồn điện được cấp đến MBA Máy biến áp 1000kVA 35±2x2,5%/0,4kV Y/Yo-12
Đầu ra của MBA được cấp đến Máy cắt 0,4kV =H01-Q0. Nguồn điện 0,4kV
được cấp đến dàn thanh cái 0,4kV sau đó đưa đến các lộ ra thông qua các Attomat:
= H01-Q1 lộ 1 Attomat 700A cấp điện cho tủ điều khiển động cơ 420kW-0,4kV
= H01-Q2 lộ 2 Attomat 400A cấp điện cho tủ phân phối điều khiển 2 động
cơ 95kW-0,4kV
= H01-Q3 Lộ 3 - Attomat 300A cấp điện cho tủ phân phối cấp điện cho động
cơ 75kW-0,4kV, 4 động cơ bơm nước 25kW, 1 máy nén khí 75kW, 1 máy nén khí
45kW,…
= H01-Q4 Lộ 4 - Attomat 150A cấp điện cho nhà điều hành và hệ thống đèn
chiếu sáng.
Khi có sự cố xảy ra hoặc mất điện lưới, máy cắt H01-Q0, Attomat H01-Q1,
Attomat H01-Q2 sẽ được cắt ra, máy cắt H01-Q5 đóng lại cấp điện từ nguồn dự
phòng máy phát đến các phụ tải của Attomat H01-Q3, H01-Q4.
1.2. Các bài toán điều khiển với TBA
1.2.1. Bài toán điều khiển máy cắt
Máy cắt cho phép đóng, cắt phụ tải và ngắn mạch trong phạm vi khả năng
cho phép của máy cắt.
Sau khi thao tác máy cắt, nếu sau đó có thao tác tại chỗ dao cách ly hai phía
của máy cắt, nhân viên vận hành phải kiểm tra chỉ thị tại chỗ trạng thái và khoá
mạch điều khiển của máy cắt.
Chỉ cho phép thao tác máy cắt khi mạch điều khiển ở trạng thái tốt và không
chạm đất.
4


Điều khiển đóng máy cắt chỉ có thể thực hiện khi lò xo đóng đã được tích

năng. Lò xo đóng được tích năng bằng điện (nhờ động cơ điện) hoặc bằng tay (nhờ
tay quay).
Điều khiển cắt máy cắt hầu như khi nào cũng thực hiện được vì lò xo cắt tự
động tích năng sau quá trình đóng.
Điều khiển đóng/cắt MC có nhiều cách:
+ Dùng khoá điều khiển từ xa hay nút nhấn tại chỗ (bằng điện).
+ Dùng cần thao tác cơ khí (bằng cơ khí).
Khi lò xo đóng được tích năng, chỉ thị trạng thái của lò xo chuyển từ trạng
thái lò xo không bị nén sang trạng thái lò xo bị nén. Trong quá trình đóng, lò xo
đóng giải phóng năng lượng và ngay sau đó được nén lại tự động nhờ động cơ điện
(nếu có nguồn).
Trong trường hợp khẩn cấp hoặc khi mất nguồn, việc tích năng lò xo đóng có
thể thực hiện bằng tay quay (cấp kèm với máy cắt): Gắn tay quay vào lỗ cắm phía
trước tủ truyền động, quay theo chiều kim đồng hồ, ngừng lại khi lò xo được nén
hoàn toàn.
a. Điều khiển đóng máy cắt
- Điều khiển đóng máy cắt bằng điện từ xa:
+ Kiểm tra lò xo đóng đã được tích năng).
+ Đặt khoá Remote/Local trong tủ phân phối MC tại vị trí Remote.
+ Kiểm tra các điều kiện logic khi đóng máy cắt từ xa.
+ Đóng MC bằng khoá điều khiển máy cắt tại tủ điều khiển từ xa, kiểm tra
đèn chỉ thị trạng thái MC (ở vị trí đóng).
- Điều khiển đóng máy cắt bằng điện tại tủ phân phối:
+ Kiểm tra lò xo đóng đã được tích năng.
+ Đặt khoá Remote/Local trong tủ phân phối của MC tại vị trí Local.
+ Kiểm tra các điều kiện logic khi đóng máy cắt tại chỗ.
+ Nhấn nút ON (gần khoá Remote/Local), kiểm tra chỉ thị trạng thái MC ở
mặt trước bộ truyền động chỉ là (I).
5



- Điều khiển đóng máy cắt bằng tay tại chỗ:
+ Kiểm tra lò xo đóng đã được tích năng.
+ Kiểm tra các điều kiện logic đóng máy cắt tại chỗ.
+ Nhân nút đóng cơ khí tại mặt trước tủ điều khiển để đóng MC
b. Điều khiển cắt máy cắt
- Điều khiển cắt máy cắt bằng điện tại tủ điều khiển từ xa:
+ Đặt khoá Remote/Local trong tủ phân phối MC tại vị trí Remote.
+ Cắt MC bằng khoá điều khiển máy cắt tại tủ điều khiển từ xa, kiểm tra đèn
chỉ thị trạng thái MC ở vị trí cắt, kiểm tra MC cắt tốt 3 pha.
- Điều khiển cắt máy cắt bằng điện tại tủ phân phối:
+ Đặt khoá Remote/Local trong tủ phân phối MC tại vị trí Local.
+ Nhấn nút OFF (gần khoá Remote/Local), kiểm tra chỉ thị trạng thái MC ở
mặt trước bộ truyền động chỉ là (O), kiểm tra MC cắt tốt 3 pha.
- Điều khiển cắt máy cắt bằng tay tại chỗ:
+ Kéo cần cắt cơ khí tại bộ truyền động để cắt MC, kiểm tra chỉ thị trạng thái
MC ở mặt trước bộ truyền động chỉ là (O).
c. Điều khiển máy cắt tại TBA Tân Phú 3
- Để đóng máy cắt E01-Q0 gồm các điều kiện sau:
+ Lệnh đóng tại chỗ
+ Khóa “R/L” ở vị trí “L”
+ Các bảo vệ của máy cắt không tác động
- Để cắt máy cắt E01-Q0:
Do tính chất bảo vệ nên một trong các điều kiện sau xuất hiện thì máy cắt sẽ cắt
+ Lệnh cắt từ rơ le bảo vệ máy biến áp
+ Lệnh cắt từ các rơ le bảo vệ
Khi đó nguồn 35kV bị cắt ra khỏi hệ thống.
1.2.2. Bài toán điều khiển dao cách ly
a. Điều khiển đóng cắt dao cách ly
Được phép điều khiển đóng không điện hoặc đóng có điện khi dòng điện nhỏ

6


hơn dòng điện cho phép theo Quy trình vận hành dao cách ly do Đơn vị quản lý vận
hành ban hành.
Được phép điều khiển đóng, cắt dao cách ly có điện trong các trường hợp sau:
+ Đóng và cắt điểm trung tính của các máy biến áp, kháng điện;
+ Đóng và cắt các cuộn dập hồ quang khi trong lưới điện không có hiện
tượng chạm đất;
+ Đóng và cắt chuyển đổi thanh cái khi máy cắt hoặc dao cách lỵ liên lạc
thanh cái đã đóng;
+ Đóng và cắt không tải thanh cái hoặc đoạn thanh dẫn;
+ Đóng và cắt dao cách ly nối tắt thiết bị;
+ Đóng và cắt không tải máy biến điện áp, máy biến dòng điện;
Điều khiển dao cách ly hai phía máy cắt như sau:
+ Trường hợp một phía máy cắt có điện áp, một phía không có điện áp
* Điều khiển mở dao cách ly: Mở dao cách lỵ phía không có điện áp trước,
mở dao cách ly phía có điện áp sau;
* Điều khiển đóng dao cách ly: Đóng dao cách ly phía có điện áp trước, đóng
dao cách ly phía không có điện áp sau.
+ Trường hợp hai phía máy cắt đều có điện áp
* Điều khiển mở dao cách ly: Mở dao cách ly phía nếu có sự cố xảy ra ít ảnh
hưởng đến chế độ vận hành của hệ thống điện trước, mở dao cách ly kia sau;
* Điều khiển đóng dao cách ly: Đóng dao cách ly phía nếu có sự cố xảy ra ảnh
hưởng nhiều đến chế độ vận hành của hệ thống điện trước, đóng dao cách ly kia sau.
b. Điều khiển dao cách ly tại TBA Tân Phú 3
Dao cách ly E01-Q1:
Để điều khiển đóng dao cách ly E01-Q1
+ Máy cắt E01-Q0 cắt
+ Cầu dao E01-Q3 cắt.

Để điều khiển cắt dao cách ly E01-Q1
+ Máy cắt E01-Q0 cắt
7


+ Cầu dao E01-Q3 cắt
Dao cách ly E01-Q3:
Để điều khiển đóng dao cách ly E01-Q3
+ Máy cắt E01-Q0 cắt
+ Cầu dao E01-Q1 đóng
+ Cầu dao tiếp đất E01-Q2 mở
+ Cầu dao tiếp địa E01-Q4 đóng
Để điều khiển cắt dao cách ly E01-Q3
+ Máy cắt E01-Q0 cắt
+ Cầu dao E01-Q1 đóng
1.2.3. Bài toán điều khiển vận hành máy biến áp
a. Nguyên lý chung
Máy biến áp là một trong những phần tử quan trọng nhất liên kết hệ thống
phát, truyền tải vả phân phối. Một số máy biến áp công suất lớn, điện áp cao có bộ
phận điều chỉnh điện áp.
Ngoài ra không thực hiện các bài toán điều khiển cho thiết bị này mà chỉ
phối hợp các bài toán bảo vệ để đảm bảo máy biến áp làm việc an toàn.
Sự cố bên ngoài máy biến áp gồm có sự cố hay các hiện tượng nguy hiểm xảy
ra bên ngoài máy biến áp như quá tải, quá điện áp, tần số thấp, ngắn mạch ngoài..
Trong trường hợp sự cố bên ngoài máy biến áp, sự cố phải được cách ly khỏi
MBA, nếu sự cố ấy không được cắt ra trong khoảng thời gian định trước có thể dẫn
đến hư hỏng MBA. Đối với sự cố bên ngoài, bảo vệ đường dây thường được dùng
như bảo vệ dự trữ. MBA không được phép chịu quá tải trong khoảng thời gian dài
và rơ le nhiệt được dùng để phát hiện tình trạng quá tải đưa ra tín hiệu điều khiển,
báo hiệu

Sự cố bên trong MBA gồm các sự cố xảy ra bên trong vùng bảo vệ của
MBA(bên trong vị trí đặt các BI). Sự cố bên trong MBA được chia thành 2 nhóm:
Sự cố gián tiếp và trực tiếp. Sự cố gián tiếp diễn ra từ từ nhưng sẽ trở thành sự cố
trực tiếp nếu không phát hiện và xử lý kịp thời(Chẳng hạn bên trong MBA có quá
8


nhiệt, quá từ, áp xuất dầu thay đổi…). Sự cố trực tiếp là sự cố ngắn mạch bên trong
các cuộn dây, hư hỏng cách điện làm thay đổi đột ngột các thông số điện.
Bảo vệ sự cố trực tiếp phải tác động tức thời, cách ly MBA bị sự cố ra khỏi hệ
thống để giảm hư hỏng MBA, giảm ảnh hưởng đến hệ thống. Sự cố gián tiếp không
đòi hỏi tác động nhanh cắt MBA, nhưng phải được phát hiện, báo động để người vận
hành xử lý. Sự cố gián tiếp và trực tiếp được phát hiện bởi các rơ le khác nhau. Để
phát hiện sự cố gián tiếp thường người ta dùng rơ le quá nhiệt, rơ le hơi, ro le áp suất
dầu… Sự cố trực tiếp được phát hiện bằng các rơ le so lech, rơ le dòng điện…
b. Điều khiển với trạm biến áp Tân Phú 3
Bảo vệ sự cố bên ngoài:
+ Được thực hiện bằng việc lắp đặt các chống sét van đầu máy biến áp chống
quá điện áp khí quyển.
+ Cài đặt bảo vệ quá dòng cắt có thời gian cho E01-Q0
+ Cài đặt bảo vệ quá dòng cắt nhanh cho E01-Q0.
+ Cài đặt bảo vệ quá dòng có thời gian cho H01-Q0
+ Cài đặt bảo bệ quá dòng cắt nhanh cho H01-Q0
Bảo vệ bên trong máy biến áp có rơ le hơi, rơ le nhiệt
1.2.4. Bài toán phân phối phụ tải
Phụ tải của TBA là phụ tải loại 3. Do đặc thù lưới điện chỉ có 1 nguồn duy
nhất nên chỉ có 1 phương thức cấp điện duy nhất.
TBA cấp điện cho hệ thống tuyển quặng sắt chủ yếu sử dụng các động cơ.
+ Đặc biệt 01 động cơ công suất 420kW cho máy nghiền bi được cấp riêng
từ lộ 1.

+ 2 động cơ 95kW cho máy nghiền búa cũng được cấp riêng từ lộ 2
+ 2 máy bơm nước 25kW, 1 máy nén khí 75kW, 1 máy nén khí 25kW được
cấp riêng từ lộ 3
+ Lộ 4 cấp điện cho khu nhà điều hành, hệ thống chiếu sáng bảo vệ….
Ở chế độ bình thường TBA cấp điện cho toàn bộ phụ tải cho dây truyền
tuyển quặng và toàn bộ hoạt động của nhà máy.
9


Xảy ra sự cố, mất điện không thể cấp điện từ MBA thì H01-Q0 sẽ cắt ra,
H01-Q5 đóng lại cấp nguồn từ máy phát 250kVA cho lộ số 3 và số 4 để phục vụ
công tác điều hành và hệ thống bơm nước, nén khí để tiếp tục khoan đá nổ mìn…
 Điều khiển H01-Q0
Điều khiển đóng H01-Q0 khi thỏa mãn đồng thời các điều kiện:
+ H01-Q5 mở
+ H01-Q1, H01-Q2, H01-Q3,H01-Q4 mở
+ Không có lệnh cắt của các bảo vệ
Điều khiển cắt H01-Q0 khi thỏa mãn một trong các điều kiện:
+ Có lệnh cắt của rơ le bảo vệ quá dòng có thời gian
+ Có lệnh cắt của rơ le bảo vệ quá dòng cắt nhanh
 Điều khiển H01-Q5
Điều khiển đóng H01-Q5 khi thỏa mãn đồng thời các điều kiện:
+ H01-Q0 Cắt
+ H01-Q1, H01-Q2, H01-Q3, H01-Q4 Cắt
+ Không có lệnh cắt của các bảo vệ
Điều khiển cắt H01-Q5 khi thỏa mãn một trong các điều kiện:
+ Có lệnh cắt của rơ le bảo vệ quá dòng có thời gian
+ Có lệnh cắt của rơ le bảo vệ quá dòng cắt nhanh
+ H01-Q1, H01-Q2 đóng
 Điều khiển H01-Q1, H01-Q2

Điều khiển đóng H01-Q1, H01-Q2 khi thỏa mãn đồng thời các điều kiện
+ Không có lệnh cắt của các bảo vệ
+ H01-Q5 cắt
Điều khiển cắt H01-Q1, H01-Q2 khi thỏa mãn 1 trong các điều kiện
+ Có lệnh cắt của 1 trong các bảo vệ quá dòng cắt nhanh,
+ Có lệnh cắt của 1 trong các bảo vệ quá dòng có thời gian.
 Điều khiển H01-Q3, H01-Q4
Điều khiển đóng H01-Q1, H01-Q2 khi thỏa mãn đồng thời các điều kiện
10


+ Không có lệnh cắt của các bảo vệ
Điều khiển cắt H01-Q1, H01-Q2 khi thỏa mãn 1 trong các điều kiện
+ Có lệnh cắt của 1 trong các bảo vệ quá dòng cắt nhanh.
+ Có lệnh cắt của 1 trong các bảo vệ quá dòng có thời gian.
1.3. Hiện trạng hệ thống điều khiển và giám sát tại trạm biến áp Tân Phú
1.3.1. Hệ thống điều khiển đóng cắt
Điều khiển đóng cắt hiện vẫn đang thực hiện bằng tay các thao tác trực tiếp
với các thiết bị như cầu dao, attomat, máy cắt…
1.3.2. Hệ thống thiết bị đóng, cắt tại TBA
1.3.2.1. Đóng cắt phía cao thế
+ Đóng cắt đầu TBA là cầu dao cách ly loại DN-35kV-630A đến hệ thống đo
đếm phía cao thế, CD được đóng cắt bằng tay.
+ Có riêng 1cầu dao xuống MBA
+ Máy biến áp 1000kVA-35/0,4kV Có 01 máy cắt loại 3AF0143 - 40,5kV,
630A, Ik=25kA của Simens để bảo vệ và đóng cắt phía cao thế. Máy cắt này có thể
đóng cắt từ xa và bộ điều khiển riêng có kết nối dữ liệu qua cổng Com.
+ Các cầu dao không có bộ phận để thao tác từ xa cũng như gửi tín hiệu
đóng, cắt
1.3.2.2. Đóng cắt phía hạ thế

+ Có 01 Máy cắt 0,4kV-1600A để đóng, cắt, bảo vệ cho phía tủ tổng 0,4kV.
+ Đóng cắt và bảo vệ cho các lộ hạ thế bằng các Attomat.
Như vậy cả thiết bị đóng cắt phía cao thế và hạ thế vẫn còn một số sử dụng
công nghệ truyền thống lạc hậu độ tin cậy thấp.
1.3.3. Hệ thống giám sát
Chức năng hiển thị và đo lường được thực hiện bởi các đồng hồ đo và công
tơ nối đến các máy biến dòng điện (TI) và máy biến điện áp đo lường (TU). Chức
năng giám sát vận hành thực hiện bằng các đèn báo và đồng hồ chỉ thị.

11


1.4. Kết luận chương 1
Qua phân tích và hiện trạng điều khiển và giám sát tại TBA Tân Phú 3 tôi
thấy rằng việc vận hành 1 TBA để đảm bảo an toàn và có độ tin cậy cao cần đòi hỏi
người vận hành được huấn luyện và nhiều kinh nghiệm.
Do TBA các phần tử trong trạm điện khi điều khiển đóng cắt phải tuân thủ
trình tự nhất định tuy nhiên các thiết bị lại không được liên hệ chặt chẽ với nhau mà
vẫn do kinh nghiệm điều khiển của con người. Trường hợp điều khiển đóng cắt sai
sẽ dẫn đến tai nạn hoặc hư hỏng thiết bị.
Để tối ưu hóa điều khiển và giám sát cho TBA có thể sử dụng nhiều
phương pháp:
+ Sử dụng hệ điều khiển rơle công tắc tơ
+ Sử dụng hệ điều khiển tương tự
+ Sử dụng hệ điều khiển PLC
+ Sử dụng hệ điều khiển máy tính
Tuy nhiên khi so sánh một vài tiêu chí như: độ bền công nghiệp, tính linh
hoát, độ tin cậy,... thì sử dụng PLC là giải pháp hợp lý. PLC ngày càng trở nên phổ
biến do khả năng giao tiếp với các thiết bị ngoại vi đơn giản, lập trình điều khiển
tương đối dễ dàng. Luận văn tập trung nghiên cứu giải pháp tự động hóa trạm biến

áp bằng hệ SIMATIC S7-300 của hãng Siemens. Chương tiếp theo sẽ trình bày
ngắn gọn hệ thống thiết bị phần cứng của hệ SIMATIC S7-300, phần mềm lập trình
STEP 7 và phần mềm thiết kế giao diện người máy WinCC.
12


CHƯƠNG 2
NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC S7-300,
PHẦN MỀM SETP 7, WINCC
2.1. Thiết bị điều khiển lập trình PLC S7-300 của Simen
2.1.1. Giới thiệu
Bộ điều khiển lập trình S7-300 là thiết bị thuộc dòng sản phẩm cao cấp, được
dùng cho những ứng dụng lớn, thời gian đáp ứng nhanh, nối mạng tốt và có khả
năng phát triển hệ thống về sau.
Ngôn ngữ lập trình hỗ trợ nhiều đối tượng sử dụng, liên kết với máy tính qua
cáp MPI dùng module CPU.

Hình 2-1. Hệ thống kết nối PLC với PC qua cáp MPI
Khả năng liên kết và trao đổi dữ liệu với WinCC rất mạnh thông qua mạng
truyền thông có sẵn mà không cần sự can thiệp phần cứng nào.
2.1.2. Các modul của PLC S7-300
2.1.2.1. Modul CPU
Là loại module chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, bộ định thời, bộ đếm,
cổng truyền thông,… và có thể có một vài cổng vào/ra (các cổng vào ra onboard).
Trong PLC S7-300 có nhiều loại modul CPU khác nhau. Nói chung chúng
được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như: CPU312, modul CPU 314, Modul
CPU 315,... Những modul cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về
cổng vào/ra onboard cũng như các khối làm việc đặc biết được tích hợp sẵn trong
thư viện của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ
được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng cách thêm cụm chữ cái IFM (Intergated

Function Module) ví dụ CPU 312IFM, 314IFM không có thẻ nhớ. Loại 312IFM,
313 không có pin nuôi. Loại 315-2DP, 316-2DP, 318-2 có cổng truyền thông DP.
13


Ngoài ra có các loại modul CPU với hai cổng truyền thông: Thông qua cổng
truyền thông MPI (MultiPoint Interface) có thể nối: máy tính lập trình, màn hình
OP (Operator panel), các PLC có cổng MPI (S7-300, M7-300, S7-400, M7-400,
C7-6xx), S7-200, vận tốc truyền đến 187.5kbps (12Mbps với CPU 318-2, 10.2
kbps với S7-200). Cổng Profibus -DP nối các thiết bị trên theo mạng Profibus với
vận tốc truyền lên đến 12Mbps.

Hình 2-2: Modul CPU
- Các đèn báo có ý nghĩa sau:
SF... (đỏ)... lỗi phần cứng hay mềm,
BATF... (đỏ)... lỗi pin nuôi,
DC5V... (lá cây)... nguồn 5V bình thường,
FRCE... (vàng )... force request tích cực
RUN... (lá cây)... CPU mode RUN ; LED chớp lúc start-up w. 1 Hz; mode
HALT w. 0.5 Hz
STOP mode... (vàng)... CPU mode STOP hay HALT hay start-up; LED
chớp khi memory reset request
14


BUSF... (đỏ)... lỗi phần cứng hay phần mềm ở giao diện PROFIBUS
- Khóa mode có 4 vị trí:
RUN-P : chế độ lập trình và chạy
RUN


: chế độ chạy chương trình

STOP : ngừng chạy chương trình
MRES : reset bộ nhớ
Thẻ nhớ có thể có dung lượng từ 16KB đến 4MB, chứa chương trình từ PLC
chuyển qua và chuyển chương trình ngược trở lại cho CPU.
Pin nuôi giúp nuôi chương trình và dữ liệu khi bị mất nguồn (tối đa 1 năm)
và nuôi đồng hồ với thời gian thực. Với loại CPU không có pin nuôi thi cũng có
một phần vùng nhớ được duy trì.
2.1.2.2. Modul mở rộng
Các modul mở rộng được chia làm 5 loại chính:

Hình 2-3: Sơ đồ bố trí một trạm PLC( S7-300).
a. Modul PS (Power supply)
Modul nguồn nuôi. Có 3 loại 2A,5A và 10A.
Người sử dụng cần nắm rõ số lượng đầu vào và đầu ra để bảo đảm thiết bị
được cấp điện một cách chính xác. Mỗi modul khác nhau thì khả năng sử dụng điện
khác nhau. Nguồn điện cung cấp này không được dùng để khởi động cho các thiết
bị kết nối phía bên ngoài tại ngõ vào, hoặc ngõ ra. Người sử dụng phải cấp điện cho
các thiết bị tại đầu vào hoặc đầu ra phải được tiến hành một cách riêng biệt. Có như
vậy mới bảo đảm được rằng những ảnh hưởng của các thiết bị máy móc dùng trong
công nghiệp không gây hư hại cho bộ điều khiển PLC. Đối với một số bộ điều khiển

15


PLC loại nhỏ, chúng cấp nguồn cho các thiết bị kết nối tại ngõ vào bằng điện áp
được lấy từ một nguồn nhỏ đã được tích hợp vào bộ điều khiển PLC.
b. Modul SM
Modul mở rộng cổng tín hiệu vào ra, bao gồm:

- DI (Digital input): Modul mở rộng cổng vào số. Số các cổng vào của modul
này có thể là 8, 16, 32 tuỳ thuộc vào từng loại modul:
+ SM 321; DI 32 _ 24 VDC
+ SM 321; DI 16 _ 24 VDC
+ SM 321; DI 16 _ 120 VAC, 4*4 nhóm
+ SM 321; DI 8 _ 120/230 VAC, 2*4 nhóm
+ SM 321; DI 32 _ 120 VAC 8*4 nhóm
- DO (Digital output): Modul mở rộng cổng ra số. Số các cổng ra của modul
này có thể là 8, 16, 32 tuỳ thuộc vào từng loại modul;
+ SM 322; DO 32 _ 24 VDC/0.5 A, 8*4 nhóm
+ SM 322; DO 16 _ 24 VDC/0.5 A, 8*2 nhóm
+ SM 322; DO 8 _ 24 VDC/2 A, 4*2 nhóm
+ SM 322; DO 16 _ 120 VAC/1 A, 8*2 nhóm
+ SM 322; DO 8 _ 120/230 VAC/2 A, 4*2 nhóm
+ SM 322; DO 32_ 120 VAC/1.0 A, 8*4 nhóm
+ SM 322; DO 16 _ 120 VAC ReLay, 8*2 nhóm
+ SM 322; DO 8 _ 230 VAC Relay, 4*2 nhóm
+ SM 322; DO 8 _ 230 VAC/5A Relay,1*8 nhóm
- DI/DO (Digital input/ Digital output): Modul mở rổng các cổng vào/ra số số
các cổng vào/ra có thể là 8 vào/8 ra hoặc 16 vào/16 ra tuỳ thuộc vào từng loại modul.
+ SM 323; DI 16/DO 16 _ 24 VDC/0.5 A
+ SM 323; DI 8/DO 8 _ 24 VDC/0.5 A
- AI (Analog Input): Modul mở rộng các cổng vào tương tự.
Module analog in có nhiều ngõ vào, dùng để đo điện áp, dòng điện, điện trở ba
dây, bốn dây, nhiệt độ. Có nhiều tầm đo, độ phân giải, thời gian chuyển đổi khác nhau.
16


Cài đặt thông số hoạt động cho module bằng phần mềm S7- Simatic 300 Station Hardware và/hoặc chương trình người dùng sử dụng hàm SFC 55, 56, 57 phù hợp
(xem mục ) và/hoặc cài đặt nhờ modulle tầm đo (measuring range module) gắn trên

module SM. Kết quả chuyển đổi là số nhị phân phụ hai với bit MSB là bit dấu.
Về bản chất chúng chính là những bộ chuyển đổi tương tự-số (AD), tức là
mỗi tín hiệu tương tự được chuyển thành một tín hiệu số (nguyên ) có độ dài 12 bít,
số các cổng vào có thể là 2, 4 hoặc 8 tuỳ thuộc vào từng loại Modul.
- AO (Analog ouput): Modul mở rộng các cổng ra tín hiệu tương tự. Chúng
chính là các bộ chuyển đổi số - tương tự (DA). Số các cổng ra tương tự có thể là 2
hoặc 4 tuỳ thuộc từng loại modul:
Cung cấp áp hay dòng phụ thuộc số nhị phân phụ hai:
+ SM332 AO 4*12 bit: 4 ngõ ra dòng hay áp độ phân giải 12 bit, thời
gian chuyển đổi 0.8 ms;
+ SM332 AO 2*12 bit;
+ SM332 AO 4*16 bit
- AI/AO (Analog input/Analog output): Modul mở rộng các cổng vào ra tương
tự. Số các cổng có thể là 4 vào/2 ra hoặc 4 vào/4 ra tuỳ thuộc vào tùng loại modul:
+ SM 334; AI 4/AO 2 * 8 Bit
+ SM334; AI 4/AO 2* 12 Bit
c. FM (Function modul)
Modul có chức năng điều khiển riêng:
+ FM350-1: đếm xung một kênh
+ FM350-2: đếm xung tám kênh
+ FM351, 353, 354, 357-2: điều khiển định vị
+ FM352: bộ điều khiển cam điện tử
+ FM355: bộ điều khiển hệ kín
d. IM (Interface module)
Modul ghép nối. Đây là loại modul chuyên dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm
các modul mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý chung bới một
17


modul CPU. Thông thường các modul mở rộng được gá liền với nhau trên một

thanh đỡ gọi là Rack. Module IM360 gắn ở rack 0 kế CPU dùng để ghép nối với
module IM361 đặt ở các rack 1, 2, 3 giúp kết nối các module mở rộng với CPU khi
số module lớn hơn 8. Cáp nối giữa hai rack là loại 368. Trong trường hợp chỉ có hai
rack, ta dùng loại IM365.

Hình 2-4: Modul ghép nối IM360 và IM361

Hình 2-5: Thanh Rack
e. CP (communication modul)
Modul phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa
PLC với máy tính.

Hình 2-6: Sơ đồ tổng quát của một trạm PLC S7-300

18