GIÁM sát điện NĂNG TIÊU THỤ TOÀ NHÀ sử DỤNG TRUYỀN THÔNG MODBUS TCPIP

2022 GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ TOÀ NHÀ SỬ DỤNG TRUYỀN THÔNG MODBUS TCP/IP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ ĐỀ TÀI: GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ TOÀ NHÀ SỬ DỤNG TRUYỀN THÔNG MODBUS TCP/IP Người hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Mã sinh viên: Hoàng Quốc Phong Nguyễn Thanh Phát Lớp: ThS PHẠM DUY DƯỞNG HOÀNG QUỐC PHONG NGUYỄN THANH PHÁT 1811505520135 1811505520134 18TDH1 Đà Nẵng, 06/2022 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HỐ ĐỀ TÀI: GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ TOÀ NHÀ SỬ DỤNG TRUYỀN THÔNG MODBUS TCP/IP Người hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Mã sinh viên: Lớp: ThS PHẠM DUY DƯỞNG HOÀNG QUỐC PHONG NGUYỄN THANH PHÁT 1811505520135 1811505520134 18TDH1 Đà Nẵng, 06/2022 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN TÓM TẮT Tên đề tài: Hệ thống giám sát điện nhà sử dụng truyền thông Modbus TCP/IP Sinh viên thực hiện: Hoàng Quốc Phong Mã SV: 1811505520135 Lớp:18TDH1 Nguyễn Thanh Phát Mã SV: 1811505520134 Lớp:18TDH1 Trong thời đại công nghệ 4.0, với phát triển khoa học kỹ thuật việc sử dụng điện có mặt lĩnh vực đời sống Chính tầm quan trọng vậy, việc sử dụng lượng điện cho hợp lý, vừa đảm bảo tiết kiệm vừa an toàn yêu cầu hàng đầu doanh nghiệp Trên sở đó, chủ đầu tư, doanh nghiệp vô quan tâm vào việc áp dụng công nghệ đầu tư cho thiết bị giám sát chất lượng điện tòa nhà đại Bởi việc quản lý, thống kê tốt thông số này, đồng nghĩa với việc giảm chi phí vận hành, nâng cao hiệu sử dụng máy móc, thiết bị từ làm giảm chi phí tổng thể cho doanh nghiệp Hiện nay, hệ thống SCADA đại áp dụng nhiều, giảm bớt nhân công mà hiệu việc quản lý điện nhà tối ưu Từ lí gợi ý từ giảng viên hướng dẫn nhóm tác giả muốn nghiên cứu hệ thống SCADA ứng dụng vào quản lý, giám sát điện nhà đáp ứng u cầu hệ thống BMS Vì lý định chọn đề tài: “GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ TỒ NHÀ SỬ DỤNG TRUYỀN THƠNG MODBUS TCP/IP” Với đề tài này, nhóm tác giả nghiên cứu nội dung sau: - Xử lý tín hiệu analog thông số điện đọc từ module cảm biến dịng PZEM 004t - Truyền thơng vi điều khiển Arduino Uno R3 với PLC S7-1200 sử dụng Mobus TCP/IP - Truyền thông Master Slave với theo mơ hình Modbus TCP/IP - Xây dụng hệ thống SCADA giám sát điện máy chủ - Xây dụng Web Server Node Red Do thời gian, kiến thức kinh nghiệm nhóm cịn có hạn chế nên khơng tránh khỏi sai sót Nhóm em mong muốn nhận giúp đỡ tham khảo ý kiến thầy cô bạn nhằm đóng góp, phát triển đề tài thêm tốt TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: ThS Phạm Duy Dưởng Sinh viên thực hiện: Hoàng Quốc Phong Nguyễn Thanh Phát Mã SV: 1811505520135 Mã SV: 1811505520134 Tên đề tài: Giám sát điện tiêu thụ nhà sử dụng truyền thông Modbus TCP/IP Các số liệu, tài liệu ban đầu: -Sử dụng PLC S7 1200, Arduino Uno, Module Pzem-004T -Sử dụng giao thức truyền thông Modbus TCP/IP -Giám sát điện tiêu thụ cảnh báo có cố Nội dung đồ án: Nội dung 1:tổng quan hệ thống giám sát điện tiêu thụ Nội dung 2: tìm hiểu sở lý thuyết PLC Scada Nội dung 3: tìm hiểu sở lý thuyết giao thức truyền thông Modbus TCP/IP Nội dung 4: nghiên cứu xây dựng chương trình điều khiển giám sát Nội dung 5: thiết kế thi công hệ thống Nội dung 6: nhận xét ưu nhược điểm toàn hệ thống hướng phát triển đề tài Các sản phẩm dự kiến -Mơ hình hệ thống giám sát điện tiêu thụ tồ nhà -Báo cáo -Chương trình điều khiển PLC Arduino Ngày giao đồ án: 21/02/2022 Ngày nộp đồ án: 30/05/2022 Đà Nẵng, ngày 22 tháng 02 năm 2022 Trưởng Bộ môn Người hướng dẫn LỜI NĨI ĐẦU Ngày nay, lượng đóng vai trị vơ quan trọng tăng trưởng kinh tế bảo vệ môi trường, đầu vào quan trọng nhiều ngành sản xuất nhu cầu thiết yếu hộ gia đình tồn nhà đại Q trình cơng nghiệp hố hoá đại hoá ngày phát triển khiến nhu cầu sử dụng lượng ngày tăng, nguồn lượng không tai tạo ngày cạn kiệt dẫn đến việc thiếu hụt lượng cách trầm trọng, việc chuyển sang khai thác nguồn lượng tái tạo khác, việc tiết kiệm sử dụng, quản lý lượng cách hiệu vô cấp thiết Nhằm giám sát hiệu tối ưu hoá tiêu thụ nguồn lượng cho cơng trình dân dụng, đặc biệt tồ nhà, hộ gia đình, khu cơng nghiệp., hệ thống giám sát lượng ( Power Monitoring System-PMS) dần ứng dụng rộng rãi Việt Nam Nhằm ứng dụng vào thực tiễn để góp phần đáp ứng nhu cầu đóng góp thêm giải pháp phát triển, vận dụng kiến thức học SCADA, nhóm định chọn đề tài: “GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ TỒ NHÀ SỬ DỤNG TRUYỀN THƠNG MODBUS TCP/IP” Nhóm thực đồ án xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Phạm Duy Dưởng Giảng viên Khoa Điện - Điện Tử, tận tình giúp đỡ, hướng dẫn cho chúng em lựa chọn đề tài trình thực đề tài Trong trình thực đồ án gặp nhiều khó khăn thiếu sót hỗ trợ góp ý thầy nên nhóm hồn thành đồ án Trong suốt thời gian theo học trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng, em nhận nhiều quan tâm giúp đỡ tận tình từ q thầy bạn bè Nhóm chúng em xin cảm ơn Ban giám hiệu nhà trường, quý thầy cô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật hỗ trợ tận tình tri thức, phần mềm, trang thiết bị, sở vật chất tạo điều kiện hồn thành đồ án Với lịng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn tới quý Thầy Cô, người truyền lại cho em nhiều kiến thức kinh nghiệm quý báu, giúp đỡ tiếp thêm động lực cho em vững bước đường chọn Và đặc biệt Thầy, Cô khoa Điện - Điện tử truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm tạo điều kiện tốt để nhóm chúng em hồn thành đề tài Một lần em xin chân thành cảm ơn! i CAM ĐOAN Chúng tơi – Hồng Quốc Phong Nguyễn Thanh Phát xin cam đoan đồ án tốt nghiệp với đề tài “GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ TỒ NHÀ SỬ DỤNG TRUYỀN THƠNG MODBUS TCP/IP” kết nghiên cứu khoa học thực hai suốt thời gian theo học trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật hướng dẫn ThS Phạm Duy Dưởng Chúng thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu, nơi tham khảo theo quy định nhà trường Sinh viên thực Hoàng Quốc Phong ii Nguyễn Thanh Phát MỤC LỤC Nhận xét người hướng dẫn Nhận xét người phản biện Tóm tắt Nhiệm vụ đồ án LỜI NÓI ĐẦU i CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ vii DANH SÁCH CÁC BẢNG viii DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ix Trang MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Mục tiêu đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu .2 Phương pháp nghiên cứu .2 Kế hoạch nghiên cứu Nội dung đề tài Chương 1: NHÀ TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TÒA 1.1 Tìm hiểu hệ thống giám sát tịa nhà BMS 1.1.1 Tổng quát hệ thống BMS 1.1.2 Các đối tượng quản lý hệ thống BMS 1.1.3 Cấu trúc hệ thống BMS 1.1.4 Tính lợi ích việc hệ thống BMS nói chung PMS nói riêng 1.1.4.1 Tính hệ thống BMS PMS 1.1.4.2 Lợi ích thống BMS PMS 1.2 Tổng quan phương pháp giám sát điện tiêu thụ tòa nhà 1.2.1 Mục tiêu giải vấn đề 1.2.2 Phương pháp thủ công .9 1.2.3 Phương pháp giám sát điện thiết bị thông minh (Smarthome) 10 1.2.4 Phương pháp giám sát điện PLC S7 1200 truyền thông Modbus TCP/IP 11 iii 1.2.5 Lựa chọn phương pháp tối ưu 11 1.3 Chức tầm quan trọng hệ thống giám sát điện tòa nhà 12 1.4 Các thông số quan trọng giám sát điện tòa nhà 12 Chương 2: TỔNG QUAN VỀ PLC S7-1200, TIA PORTAL, TRUYỀN THÔNG MODBUS TCP/IP 14 2.1 Giới thiệu PLC S7-1200 14 2.1.1 Tổng quan PLC S7-1200 14 2.1.1.1 Giới thiệu 14 2.1.1.2 Các thành phần PLC S7-1200 14 2.1.1.3 Tính bật 15 2.1.1.4 Lập trình .16 2.1.1.5 Giao tiếp .16 2.1.1.6 Ứng dụng PLC Siemens S7 – 1200: 16 2.2 Phần mềm TIA PORTAL .17 2.2.1 Tổng quan phần mềm 17 2.2.1.1 Giới thiệu 17 2.2.1.2 Các thành phần cài TIA PORTAL 17 2.2.2 Phần mềm thiết kế giao diện Web Server – Node Red 18 2.3 Các chuẩn giao thức .19 2.3.1 Giao thức Modbus TCP/IP .19 2.3.1.1 Tổng quan Mobus TCP/IP .19 2.3.1.2 Cách thức hoạt động .20 2.3.2 Giao thức Ethernet 21 2.3.2.1 Tổng quan Ethernet công nghiệp 21 2.3.2.2 Cấu trúc cách thức hoạt động Ethernet .21 2.3.3 Chuẩn giao tiếp UART 23 2.3.4 Chuẩn giao tiếp SPI 24 2.3.4.1 2.3.5 2.3.5.1 Tổng quát 24 Chuẩn giao tiếp I2C 25 Tổng quan .25 Chương 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 28 3.1 Sơ đồ tổng thể hệ thống 28 3.1.1 Giới thiệu 28 3.1.2 Thiết kế hệ thống 28 iv Giám sát điện tiêu thụ tồ nhà sử dụng truyền thơng Modbus TCP/IP Serial.println (Fre*100); //mb.Hreg(reg7_HREG, Pow*1000); mb.Hreg(reg8_HREG); mb.Hreg(reg9_HREG); mb.Hreg(reg10_HREG); mb.Hreg(reg11_HREG); value_print1(); value_print2(); value_print3(); } } void hienthi (unsigned char a, unsigned char b, unsigned char c) { lcd.setCursor(0,0); switch (a) { case 1: lcd.print("VOLT:"); break; lcd.clear(); case 2: lcd.print("POW :");break;lcd.clear(); case 3: lcd.print("POWF:");break; lcd.clear(); } lcd.setCursor(6,0) switch (b) { case 1: lcd.print(Vol);break;lcd.clear(); case 2: lcd.print(Pow);break; case 3: lcd.print(PowF);break;lcd.clear(); } lcd.setCursor(15,0); switch (c) { case 1: lcd.print("V");break; case 2: lcd.print("W");break; Giám sát điện tiêu thụ tồ nhà sử dụng truyền thơng Modbus TCP/IP case 3: lcd.print(" ");break; } }; void hienthi1(unsigned char d, unsigned char e, unsigned char f) { lcd.setCursor(0,1); switch (d) { case 1: lcd.print("CURR:");break; case 2: lcd.print("ENER:");break; case 3: lcd.print("FREQ:");break; } lcd.setCursor(6,1); switch (e) { case 1: lcd.print(Cur);break; case 2: lcd.print(Ener);break; case 3: lcd.print(Fre);break; } lcd.setCursor(13,1); switch (f) { case 1: lcd.print("A ");break; case 2: lcd.print("KwH");break; case 3: lcd.print(" Hz");break; } }; void value_print1(){ runEvery(500){ hienthi(1,1,1); hienthi1(1,1,1);}; }; Giám sát điện tiêu thụ nhà sử dụng truyền thông Modbus TCP/IP void value_print2(){ runEvery(1000){ //lcd.clear(); hienthi(2,2,2); hienthi1(2,2,2); }; }; void value_print3(){ runEvery(1500){ //lcd.clear(); hienthi(3,3,3); hienthi1(3,3,3); }; }; Giám sát điện tiêu thụ nhà sử dụng truyền thơng Modbus TCP/IP Chương trình PLC PLC Server Giám sát điện tiêu thụ nhà sử dụng truyền thơng Modbus TCP/IP Chương trình tính số điện: Giám sát điện tiêu thụ nhà sử dụng truyền thông Modbus TCP/IP Giám sát điện tiêu thụ tồ nhà sử dụng truyền thơng Modbus TCP/IP Giám sát điện tiêu thụ nhà sử dụng truyền thơng Modbus TCP/IP Chương trình điều khiển chung: Giám sát điện tiêu thụ nhà sử dụng truyền thông Modbus TCP/IP Giám sát điện tiêu thụ tồ nhà sử dụng truyền thơng Modbus TCP/IP Giám sát điện tiêu thụ tồ nhà sử dụng truyền thơng Modbus TCP/IP Chương trình PLC Client Giám sát điện tiêu thụ tồ nhà sử dụng truyền thơng Modbus TCP/IP Giám sát điện tiêu thụ nhà sử dụng truyền thông Modbus TCP/IP Giám sát điện tiêu thụ tồ nhà sử dụng truyền thơng Modbus TCP/IP Giám sát điện tiêu thụ nhà sử dụng truyền thông Modbus TCP/IP ... hướng dẫn: Phạm Duy Dưởng Giám sát điện tiêu thụ tồ nhà sử dụng truyền thơng Modbus TCP/IP Đối với đề tài ? ?Giám sát điện tiêu thụ tòa nhà sử dụng chuẩn truyền thông Modbus TCP/IP” thành phần... Dưởng Giám sát điện tiêu thụ nhà sử dụng truyền thông Modbus TCP/IP thông số liên quan đưa giám sát trung tâm giao diện Web Server để người dung tiện giám sát, quản lí Mục tiêu đề tài Mục tiêu. .. đề tài: Giám sát điện tiêu thụ nhà sử dụng truyền thông Modbus TCP/IP Các số liệu, tài liệu ban đầu: -Sử dụng PLC S7 1200, Arduino Uno, Module Pzem-004T -Sử dụng giao thức truyền thông Modbus