ỨNG DỤNG PLC S7 1200 ĐỂ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT TRẠM BIẾN ÁP HẠ ÁP

ỨNG DỤNG PLC S7 – 1200 ĐỂ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN GIÁM SÁT TRẠM BIẾN ÁP HẠ ÁP
TÓM TẮT
Trạm biến áp (TBA) hạ áp là một phần tử quan trọng trong hệ thống điện, trạm thực
hiện nhiệm vụ biến điện áp cao xuống điện áp thấp (điện hạ áp) để sử dụng. Hiện nay, hầu
hết các TBA hạ áp việc điều khiển đóng cắt thiết bị, theo dõi, ghi chép tình trạng làm việc
của trạm đều thực hiện thủ công; do đó khi vận hành sử dụng trạm biến áp, các thông tin
mong muốn chưa đáp ứng kịp thời, khách quan, chính xác. Bài báo này đề xuất ứng dụng
PLC S7 – 1200 để thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển giám sát TBA hạ áp nhằm khắc
phục những hạn chế nêu trên; đồng thời có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận hành và
bảo dưỡng định kỳ TBA; các kết quả thực nghiệm thể hiện được hiệu quả và tính khả thi
của giải pháp đề xuất.
Từ khóa: Trạm biến áp hạ áp, PLC S7 – 1200, hệ thống điều khiển giám sát.
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong quá trình vận hành, TBA hạ áp có thể gặp những sự cố như mất pha, lệch pha,
sự cố từ các thiết bị, hoạt động sai của thiết bị hay sự cố từ phía người sử dụng, tình trạng
quá tải và sự lão hóa của thiết bị Khi xảy ra sự cố tại bất kỳ một phần tử nào trên TBA,
bảo vệ rơle sẽ tác động tách phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống điện và loại trừ sự ảnh hưởng
của phần tử sự cố với các phần tử liền kề không bị sự cố. Như vậy quá trình nhận dạng,
phát hiện, cách ly và xác định chính xác tình trạng sự cố càng nhanh sẽ càng có lợi, giúp
cho việc khôi phục lại chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện, giảm thiệt hại về
kinh tế và nâng cao được độ tin cậy cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ [1], [2]. Các hệ thống
thu thập, giám sát, xử lý dữ liệu và điều khiển các quá trình công nghiệp SCADA
(Supervisory Control And Data Acquision) đã xuất hiện ngày càng nhiều trong hầu hết các
lĩnh vực, WinCC là một trong những phần mềm HMI (Human Machine Interface – Giao
diện người và máy) chuyên dùng của hãng Siemens để giám sát, điều khiển và thu thập dữ
liệu trong quá trình công nghiệp.
Hiện nay, hầu hết các TBA hạ áp việc điều khiển đóng cắt thiết bị, theo dõi, ghi chép
tình trạng làm việc của trạm đều thực hiện thủ công; do đó khi vận hành sử dụng trạm biến
áp, các thông tin mong muốn chưa đáp ứng kịp thời, khách quan, chính xác. Bài báo này đề
xuất ứng dụng PLC S7 – 1200 để thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển giám sát TBA hạ

áp nhằm khắc phục những hạn chế nêu trên; đồng thời có thể tạo điều kiện thuận lợi cho
việc vận hành và bảo dưỡng định kỳ TBA; các kết quả thực nghiệm thể hiện được hiệu quả
và tính khả thi của giải pháp đề xuất.
II. MÔ HÌNH TBA HẠ ÁP
2.1. Sơ đồ nguyên lý
1
Trạm biến áp đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải và phân phối điện
năng. Những trạm biến áp phân phối hạ thế thường có công suất từ 100kVA
đến 1000kVA, điện áp tới 35kV/0,4kV chiếm một số lượng rất lớn trên lưới điện. Tuỳ
theo yêu cầu sử dụng và đặc tính của phụ tải mà các trạm biến áp có kết cấu, kiểu dáng
khác nhau. Sơ đồ nguyên lý trạm biến áp hạ áp được thể hiện trên Hình 1.
2.2. Yêu cầu của hệ thống
- Hệ thống điều khiển và giám sát trạm biến áp hạ áp bao gồm:
2
ĐZ 22kV
AT 2
Chống sét hạ thế
AT1
AT3
TI
V
Kwh
Cầu chì tự rơi SI
Chống sét van
trung thế
Ampe
Vôn kế
Công tơ hữu
công
Aptomat

A
Máy biến áp
< 450KVA-22/0.4kV
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý TBA áp hạ áp.
• 01 máy biến áp 3 pha.
• 01 bộ dao cách ly
• 03 máy cắt phụ tải
• 03 áp tô mát dùng để đóng cắt và bảo vệ
• Các nút ấn điều khiển, các đèn báo hiệu.
• Hệ thống phụ tải thuần trở, tải cảm
• Điều khiển tự động hệ thống dùng PLC S7-1200 (CPU 1212C).
• Đo các thông số trạm biến áp dùng đồng hồ đa năng MFM 383-A.
• Để đưa tín hiệu đo từ đồng hồ đa năng MFM 383-A sang PLC sử dụng modul
truyền thông RS 485 Cm 1241.
- Hệ thống điều khiển, giám sát trạm biến áp hạ áp có các yêu cầu như sau:
• Điều khiển: Điều khiển bằng tay, điều khiển từ xa trên giao diện máy tính; điều
khiển đóng cắt dao cách ly; điều khiển đóng cắt máy cắt tổng; điều khiển đóng
cắt phụ tải.
• Giám sát: Đóng, cắt dao cách ly; đóng, cắt và bảo vệ phụ tải; dòng điện, điện
áp, công suất, tần số, cosϕ…tại vị trí sau cuộn dây thứ cấp máy biến áp lực trên
máy tính.
• Bảo vệ cho hệ thống: Bảo vệ quá dòng, bảo vệ điện áp thấp, bảo vệ mất pha
III. GIỚI THIỆU VỀ PLC S7 – 1200 VÀ PHẦN MỀM TIA Portal V12
3.1. Giới thiệu về PLC S7 - 1200
PLC S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình có thể kiểm soát nhiều
ứng dụng tự động hóa. Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh làm cho chúng
ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200 (Hình 2).
Hình 2. PLC S7-1200.
Những tính năng nổi trội của PLC S7 – 1200 như sau:
- S7-1200 bao gồm một Microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các

đầu vào/ra (DI/DO).
- Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình
điều khiển như: tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào
PLC; tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình.
3
- S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP.
Ngoài ra bạn có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc
RS232.
- Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic; Step7 Basic hỗ trợ ba
ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL; Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal
của Siemens.
- Vậy để làm một dự án với S7-1200 chỉ cần cài TIA Portal (bao gồm
STEP7_Prof_V…và WinCC_Prof_V ) vì phần mềm này đã bao gồm cả môi trường lập
trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI.
3.2. Giới thiệu về phần mềm TIA Portal V12
Hiện nay hãng Siemens đã có các phần mềm TIA Portal V11, V12, V13 để lập trình
cho PLC S7-1200. Bài báo này đề cập đến sử dụng phần mềm TIA Portal V12 (Hình 3) để
lập trình và thiết kế giao diện giám sát, điều khiển. TIA Portal V12 là một hệ thống kỹ thuật
đồng bộ đảm bảo hoạt động liên tục hoàn hảo, thông minh và trực quan cấu hình phần cứng
kỹ thuật và cấu hình mạng, lập trình, chẩn đoán và nhiều hơn nữa.
Ưu điểm phần mềm:
• Trực quan: dễ dàng để tìm hiểu và dễ dàng để hoạt động
• Hiệu quả: tốc độ về kỹ thuật
• Chức năng bảo vệ: kiến trúc phần mềm tạo thành một cơ sở ổn định cho sự đổi
mới trong tương lai.

a) Màn hình lập trình b) Màn hình thiết kế giao diện điều khiển, giám sát
Hình 3. Màn hình soạn thảo của TIA Portal V12.
3.3. Thiết kế giao diện điều khiển, giám sát
Sau khi ứng dụng PLC S7-1200 kết hợp với phần mềm TIA Portal V12 để thiết kế

giao diện, lập trình và cài đặt thuộc tính cho chương trình, chúng ta có được các giao diện
điều khiển, giám sát cho TBA như trên Hình 4, Hình 5 và Hình 6.
4
Hình 4. Giao diện chính điều khiển, giám sát cho TBA hạ áp khi TBA hạ áp chưa làm việc
Hình 5. Giao diện chính điều khiển, giám sát cho TBA hạ áp khi TBA hạ áp
đang làm việc bình thường.
5
Hình 6. Giao diện chính điều khiển, giám sát cho TBA hạ áp khi TBA hạ áp đang làm việc
xảy ra mất pha.
Từ Hình 4, Hình 5 và Hình 6, chúng ta lưu ý:
• Khi trạm biến áp hạ áp không làm việc: dao cách ly, MCT, ML1, ML2 khi
không làm việc có màu ghi và hiển thị chữ “OFF”
• Khi trạm biến áp hạ áp đang làm việc bình thường: dao cách ly, MCT, ML1,
ML2 đang làm việc có màu xanh lá cây trên giao diện và hiển thị chữ “ON”
• Bảng bên phải mô phỏng hệ thống đèn báo các trạng thái làm việc của trạm
biến áp hạ áp. Khi trạm biến áp xảy ra các sự cố các đèn này sáng.
• Khi điều khiển đóng /cắt các nhánh tải ta chỉ cần kích vào vị trí các ô điều
khiển
IV. KẾT QUẢ
4.1. Kết quả mô phỏng
- Các kết quả tính toán, giám sát các thông số dòng điện, điện áp, công suất được thể
hiện trên Hình 7, Hình 8 và Hình 9.
- Các kết quả tính toán, giám sát các thông số thông số TBA hạ áp được thể hiện từ
Hình 10 đến Hình 13.
6
Hình 7. Đồ thị giám sát các thông số dòng điện, điện áp, công suất, hệ số công suất TBA
hạ áp theo thời gian khi TBA đang làm việc bình thường.
Nhận xét:
• Đường màu xanh da trời thể hiện dòng điện trung bình của 3 pha.
• Đường màu đỏ thể hiện điện áp pha trung bình của 3 pha.

• Đường màu xanh lá cây thể hiện công suất trung bình.
• Đường màu vàng thể hiện hệ số công suất.
Hình 8. Bảng giám sát các thông số dòng điện, điện áp, công suất, hệ số công suất TBA hạ
áp theo thời gian khi TBA chưa làm việc.
7
Hình 9. Bảng giám sát các thông số dòng điện, điện áp, công suất, hệ số công suất TBA hạ
áp theo thời gian khi TBA đang làm việc bình thường.
Nhận xét:
Quan sát bảng giám sát các thông số của trạm biến áp hạ áp ta biết được giá trị của
các thông số dòng điện, điện áp, công suất, hệ số công suất TBA hạ áp theo thời gian (Hình
9): Ví dụ vào thời điểm 4 giờ, 45 phút, 17 giây dòng điện trung bình của 3 pha tại điểm sau
thứ cấp máy biến áp là: 0,3199 A; điện áp pha trung bình của 3 pha là: 114,6 V; công suất
tác dụng là: 9,32 KW; cosφ là: 0,856.
Hình 10. Giao diện giám sát các thông số TBA hạ áp khi TBA chưa làm việc.
8
Hình 11. Giao diện giám sát các thông số TBA hạ áp (TBA đang làm việc bình thường).
Hình 12. Giao diện giám sát các thông số TBA hạ áp khi TBA đang làm việc
có sự cố mất pha C.
9
Hình 13. Giao diện bảng giám sát thời gian xảy ra sự cố và cảnh báo sự cố cho TBA hạ
áp.
Nhận xét:
Quan sát giao diện từ Hình 10 đến Hình 13, chúng ta biết được:
• Điện áp, dòng điện, công suất tác dụng, công suất biểu kiến, hệ số công suất
của từng pha, trung bình của 3 pha.
• Số lần vận hành từng thiết bị đóng cắt chính: Dao cách ly, MCT, MC2, MC3
được lưu lại tạo thuận lợi cho việc vận hành sử dụng và bảo dưỡng định kỳ.
• Số lần trạm xảy ra sự cố, số lần cảnh báo sự cố cũng được lưu lại.
4.2. Kết quả thực nghiệm
Thiết kế lắp đặt mô hình thực nghiệm là công việc cuối cùng khi thiết kế một hệ

thống điều khiển giám sát sử dụng PLC kết hợp máy tính như trên Hình 14 và Hình 15. Khi
thiết kế lắp đặt cần phải đảm bảo các yêu cầu về chỉ tiêu chất lượng và phải chấp hành đầy
đủ các tiêu chuẩn, các quy phạm kỹ thuật hiện hành của Nhà nước về lắp đặt thiết bị điện.
Hình 14. Mô hình điều khiển, giám sát TBA hạ áp khi TBA đang làm việc bình thường.
10
Hình 15. Mô hình điều khiển, giám sát TBA khi TBA xẩy ra sự cố mất pha.
Nhận xét:
• Trạm biến áp đang làm việc, nếu xảy ra mất pha (ví dụ trên mô hình mất pha
C ở đường dây sau máy cắt ML1) khi đó đèn mất pha C sáng báo mất pha,
máy cắt ML1 tự động ngắt điện đảm bảo an toàn cho phụ tải phía sau, đèn báo
ML1 làm việc sẽ tắt.
• Trong thời gian thử nghiệm vận hành: hệ thống đã hoạt động tin cậy và đã
cung cấp đầy đủ thông tin và dữ liệu phục vụ công tác giám sát, điều khiển và
quản lý vận hành toàn bộ thiết bị của một trạm biến áp hạ áp. Với hệ thống
này nhân viên vận hành có thể kiểm tra, giám sát trạm biến áp hoạt động từ
xa, giảm tổn thất điện năng cũng như là công cụ đắc lực phục vụ công tác điều
tiết phụ tải khi có yêu cầu.
V. KẾT LUẬN
Bài báo đã nghiên cứu và ứng dụng PLC S7 - 1200 thiết kế và chế tạo hệ thống điều
khiển giám sát TBA hạ áp nhằm khắc phục việc theo dõi, ghi chép tình trạng làm việc của
TBA theo cách thủ công truyền thống. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm đã thể hiện
được hiệu quả và tính khả thi của giải pháp đề xuất.
Công trình có thể có các hướng phát triển tiếp theo như:
Điều khiển, giám sát các TBA có điện áp cao hơn như các trạm biến áp tăng áp, trạm
trung thế, nhiều thiết bị và tại nhiều vị trí hơn, kết hợp điều khiển đóng cắt nguồn dự
phòng…
Điều khiển, giám sát được các TBA có các thông số khác của hệ thống như: Trạng
thái làm việc của các thiết bị, bảo vệ được toàn diện cho hệ thống trong các trường hợp sự
cố, giám sát nhiệt độ cuộn dây, nhiệt độ dầu máy biến áp…
TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Trần Đình Long (2000) Bảo vệ các hệ thống điện, Nhà xuất bản Khoa học và
Kỹ thuật, Hà Nội.
[2]. Trần Bách (2000) Lưới điện và hệ thống điện, Tập 1, Tập 2, Tập 3, Nhà xuất
bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội
[3]. Vũ Cao Đàm (2005) Đánh giá nghiên cứu khoa học, Nhà xuất bản Khoa học và
Kỹ thuật, Hà Nội.
[4]. Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước, Vũ Văn Hà (2000) Tự động hóa với
Simatic S7-300, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, Hà Nội.
[5]. Hoàng Minh Sơn (2006) Mạng truyền thông công nghiệp, Nhà xuất bản Khoa
học và Kỹ thuật, Hà Nội, Hà Nội.
[6]. Website:
- />- />11