ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IoT ĐỂ THU THẬP DỮ LIỆU CHO HỆ THỐNG ĐIỆN TÍCH HỢP
76 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ IoT ĐỂ THU THẬP DỮ LIỆU CHO HỆ THỐNG ĐIỆN TÍCH HỢP APPLICATION OF IOT TECHNOLOGY TO COLLECT DATA FOR INTEGRATED POWER SYSTEM Nguyễn Thị Mi Sa1, Trương Đình Nhơn1, Ngơ Văn Thun1, Hoàng An Quốc1, Trần Hoàng Vũ2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, Việt Nam Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng, Việt Nam Ngày soạn nhận 2/8/2021, ngày phản biện đánh giá 5/8/2021, ngày chấp nhận đăng 31/8/2021 TÓM TẮT Trong báo này, tác giả trình bày việc thiết kế hệ thống thu thập liệu hệ thống điện tích hợp gồm điện gió điện mặt trời công suất nhỏ tảng ứng dụng IoT hãng Haiwell Hệ thống nghiên cứu đề xuất bao gồm 02 đồng hồ đo điện kỹ thuật số giao tiếp với PLC qua chuẩn truyền thông Modbus RTU PLC giao tiếp với hình HMI tích hợp Wifi qua chuẩn truyền thơng khơng dây ZigBee Hệ thống dễ dàng lắp vào tủ điện để thu thập thông tin điện điện tiêu thụ, điện áp, dịng điện, cơng suất, tần số hệ thống cần giám sát Việc ứng dụng tảng điện tốn đám mây miễn phí Haiwell thuận lợi việc thiết kế giao diện cho hệ thống giám sát chỗ thơng qua HMI truy xuất qua máy tính điện thoại thơng minh Với kết thực dự án cho thấy giải pháp triển khai nhà máy thuận lợi việc thi công lắp đặt sử dụng chuẩn truyền thơng khơng dây ZigBee có độ tin cậy cao Từ khóa: Hệ thống điện tích hợp; thu thập liệu; HMI; IoT; ZigBee ABSTRACT In this paper, the authors present the design of a data collection system of an integrated power system including small-scale wind and solar power on Haiwell's IoT application platform The proposed research system includes 02 digital power meters connecting with PLC via Modbus RTU standard and PLC communicating with Wifi integrated HMI screen via ZigBee wireless communication technology This system can be easily installed into electrical cabinets to collect electrical information such as power consumption, voltage, current, power, and frequency of the system to be monitored The application of Haiwell's free cloud computing platform will be very convenient in designing the interface for the on-site monitoring system via HMI or accessible via computer or smartphone With the actual results of the project, it has been shown that this is one of the solutions that can be deployed at factories and is very convenient in construction and installation because it uses the highquality ZigBee wireless communication standard Keywords: Integrated power system; Data collection; HMI; IoT; ZigBee GIỚI THIỆU Theo định số 102/QĐ-EVN ngày 21 tháng 06 năm 2017 Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) việc ban hành Tiêu chuẩn kỹ thuật công tơ điện tử thiết bị Doi: https://doi.org/10.54644/jte.66.2021.1069 truyền liệu công tơ Tập đồn Điện lực Quốc gia Việt Nam cơng tơ điện phải thỏa mãn nhiều chứng nhận thử nghiệm tính kỹ thuật riêng theo danh mục u cầu EVN công nhận sử dụng kết đo làm Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh sở tính tiền điện [1] Do đó, nhà máy có cơng tơ điện EVN cấp để tính tiền điện Chính thế, việc giám sát thơng số điện cho nơi khác hệ thống điện nhà máy nhằm phục vụ cho nhu cầu quản ký kiểm tốn lượng gặp nhiều khó khăn Hiện với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ, đồng hồ đo điện loại điện tử sử dụng nhiều nhà máy dân dụng Những loại đồng hồ điện sản xuất dây chuyền công nghệ đại, sử dụng IC đo đếm có độ xác cao Các tính thiết kế phù hợp với yêu cầu khách hàng phù hợp với tiêu chuẩn IEC 62052-11, IEC 62053-21, IEC62053-22 IEC 6205323 tích hợp thêm tính đọc liệu từ xa cách lắp thêm module Power Line Communication, module GPRS module RF giúp cho trình thu thập thông tin từ đồng hồ điện tử trở nên thuận lợi cho việc phát triển linh hoạt chuyển đổi phương thức đo ghi điện tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu [2] Cơng tơ điện tử thông minh xu hướng công nghệ phát triển ngày Chúng không đơn thiết bị báo kWh mà có tính đặc biệt như: Kết nối wifi, quản lý phần mềm máy tính điện thoại Phân tích số điện, tính tốn gợi ý cách sử dụng điện tối ưu… Ngoài ra, nhà tích hợp hệ thống cho đời giải pháp để giám sát hệ thống điện như: Hệ thống giám sát điện ATPMS [3], Hệ thống quản lý lượng PMS [4], Giải pháp quản lý lượng & chất lượng điện - EcoStruxure Power Monitoring [5] Tuy nhiên, việc đầu tư giải pháp nhiều trở ngại giá thành cao Xuất phát từ yêu cầu đó, nội dung nghiên cứu báo tập trung vào việc số hóa thông số điện cho hệ thống điện nhà máy ứng dụng tảng IoT miễn phí để đưa liệu lên điện toán đám mây nhằm tự động hóa q trình thu thập liệu để dễ dàng công tác quản lý hệ thống điện nhà máy với chi phí thấp 77 HỆ THỐNG NGHIÊN CỨU Hình trình bày sơ đồ khối hệ thống điện tích hợp ứng dụng IoT đề xuất nghiên cứu Trong đó, khối xử lý trung tâm PLC có chức xử lý tín hiệu từ khối đầu vào khối thu thập liệu truyền liệu tới khối điều khiển hiển thị gồm HMI khối kết nối IoT [6] Hình Sơ đồ khối tủ điện tích hợp ứng dụng IoT Với dự án giám sát thơng số kỹ thuật việc đo lường vấn đề vô quan trọng Việc lựa chọn thiết bị đo lường phục vụ dự án cần thiết để tạo phù hợp yêu cầu kỹ thuật chi phí đầu tư Đồng hồ Selec MFM383A thiết bị đo lường nhỏ gọn có độ tin cậy cao, giá thành hợp lý, hỗ trợ truyền thông để truyền nhận liệu tích hợp đo nhiều đại lượng điện lúc [7] Hình Đồng hồ đa Selec MFM383A Bên cạnh đó, việc lựa chọn hình HMI vào phù hợp với thiết bị điều khiển Xuất phát từ việc lựa 78 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh chọn sử dụng điều khiển PLC hãng Haiwell thiết bị công nghiệp nên đảm bảo độ tin cậy q trình làm việc có giá thành thấp hỗ trợ tảng IoT miễn phí nên hình HMI C7-W hãng lựa chọn Ngoài việc hỗ trợ đầy đủ tính chuẩn kết nối cơng nghiệp hình cịn hỗ trợ tính kết nối mạng Internet kết hợp công nghệ đám mây để cung cấp giải pháp điều khiển từ xa “Scada Cloud” [8, 9] Hình Màn hình HMI C7-W MẠNG TRUYỀN THƠNG ZIGBEE Giao thức truyền thơng ZigBee/IEEE 802.15.4 giao thức tạo cho mạng không dây Nó bao gồm thiết kế tiêu chuẩn phần cứng phần mềm cho WSN (Mạng cảm biến không dây) địi hỏi độ tin cậy cao, chi phí thấp, cơng suất thấp, khả mở rộng cao Các mạng vô tuyến kỹ thuật số tự tổ chức theo kiểu ZigBee hình thành vào năm 1990, thơng số kỹ thuật IEEE 802.15.4-2003/ZigBee phê chuẩn vào ngày 14 tháng 12 năm 2004 [10, 11] - Bộ định tuyến ZigBee: Được kết nối với điều phối định tuyến khác Nó có nhiều nút tham gia vào định tuyến, có chức truyền tải liệu từ điều phối đến thiết bị đầu cuối - Thiết bị đầu cuối ZigBee: Không tham gia định tuyến thiết bị giao tiếp liệu Hình Cấu trúc mạng truyền thông ZigBee Một lợi ZigBee tiêu chuẩn hóa tất lớp, điều đảm bảo sản phẩm từ nhà sản xuất khác tương thích với Đặc biệt mạng ZigBee tiêu thụ lượng thấp hoạt động ổn định WSN bao gồm cảm biến khơng dây có khả thu thập, lưu trữ, xử lý thông tin liên lạc với điểm nút lân cận Cấu trúc mạng ZigBee có thành phần bản: - Bộ điều phối ZigBee: chịu trách nhiệm khởi tạo, trì kiểm sốt mạng Chỉ có máy chủ mạng Hình Giao diện hình DTK Application Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 79 DTK Application phần mềm thiết lập mạng lưới cấu hình module ZigBee Thiết lập PAN ID mạng ZigBee có PAN ID, node khác muốn kết nối vào mạng phải trùng PAN ID THIẾT KẾ HỆ THỐNG 4.1 Phần cứng Hệ thống thu thập liệu thiết kế 01 tủ điện Hình Trong đó, PLC kết nối với module ZigBee để đọc thông tin từ 01 đồng hồ điện kỹ thuật số đa Selec MFM383A gắn tủ điện đồng hồ tương tự gắn từ xa hiển thị thơng tin lên hình HMI Hình Cấu trúc phần mềm Haiwell Cloud Scada Develop Trong đó: (1): Menu cơng cụ (2): Khu vực nạp, tải chương trình chạy mơ (3): Khu vực khai báo thiết bị liên kết với hình (4): Khu vực thêm/xóa hình điều khiển (5): Khu vực chức thêm bớt giá trị, alarm… KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Để thu thập liệu hệ thống điện tích hợp từ tủ điện thiết kế Hình 6, nội dung trình bày báo này, tác giả tiến hành thiết kế giao diện phần mềm để hiển thị thông tin hệ thống theo lưu đồ Hình Hình Tủ điện chứa thiết bị hệ thống nghiên cứu 4.2 Phần mềm Chương trình giám sát hệ thống thiết kế dựa phần mềm Haiwell Cloud Scada Develop tải từ trang chủ Haiwell Cấu trúc phần mềm mô tả Hình sau Kết thiết kế trang giao diện thể Hình cho phép người dùng quản lý giám sát hệ thống lượng gió mặt trời thơng qua hai nút bấm riêng biệt SOLAR ENERGY WIND ENERGY Đồng thời người dùng cịn truy cập vào bảng Export browser thông qua nút EXPORT truy cập vào phần cài đặt HMI qua nút SETTING Trong hệ thống lượng có hình giám sát tổng qt pha chứa thơng số điện áp, dịng 80 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh điện, công suất, tần số điện phát với hai đồ thị để theo dõi giá trị điện áp pha công suất theo thời gian thực Hình 10 Ngồi ra, Haiwell Cloud APP hỗ trợ nhiều tảng PC, iPad iOS Người dùng thêm thiết bị vào tài khoản mã QR để xác nhận thiết bị muốn liên kết Hình 10 Giao diện hình giám sát pha Hình 11 Cách thêm thiết bị vào tài khoản Để theo dõi trạng thái thiết bị, vào mục Cloud sau lựa chọn List lựa chọn thiết bị, biết tình trạng thiết bị Online hay Offline, đồng thời biết có tài khoản liên kết với thiết bị, để truy cập vào hình, ta chọn Access (xem Hình 12) Hình Lưu đồ thiết kế chương trình cho hệ thống Hình Giao diện hình Hình 12 Truy cập thơng hệ thống điện thoại Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Kết hiển thị giá trị điện áp thực tế hệ thống theo thời gian HMI điện thoại thể Hình 13 Các kết hiển thị xuất file Excel để lưu trữ 81 KẾT LUẬN Nội dung nghiên cứu trình bày báo hướng tới việc ứng dụng công nghệ IoT việc thu thập liệu cho hệ thống điện để phục vụ cho công tác đo lường, quản lý kiểm toán lượng cho hệ thống điện Giải pháp đưa dựa tảng Cloud miễn phí Haiwell thiết bị hãng cho thấy tính ưu việc hệ thống Hệ thống triển khai ứng dụng vào giám sát hệ thống điện lượng mặt trời kết hợp điện gió để tăng hiệu khai thác lượng Ngoài việc xem xét quản lý số liệu, dạng liệu trực quan hơn, theo dõi dễ dàng đồ thị biểu đồ Người dùng so sánh liệu cách đơn giản nhanh chóng đưa chẩn đốn xác tin cậy Hình 13 Hiển thị giá trị điện áp Ưu điểm hệ thống đề xuất thiết kế độc lập nên lắp đặt vào hệ thống điện hạ có dải cơng suất khác mà cần thay đổi biến dịng có tỷ số phù hợp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Quyết định số 102/QĐ-EVN ngày 21 tháng 06 năm 2017 Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) việc ban hành Tiêu chuẩn Kỹ thuật công tơ điện tử thiết bị truyền liệu công tơ Tập đoàn Điện lực Quốc gia Việt Nam Tài liệu kỹ thuật “Công tơ điện xoay chiều kiểu điện tử pha nhiều biểu giá– VSE3T – 5B” công ty Cổ phần thiết bị điện VI-NA-SI-NO https://atpro.com.vn/san-pham/he-thong-giam-sat-quan-ly-dien-nang/, xem ngày 01/08/2021 https://hyec-vn.com/giai-phap-do-luong-va-giam-sat-dien-nang-tu-xa-cpm/, xem ngày 02/08/2021 https://www.se.com/vn/vi/product-category/4100-power-%26-energy-monitoringsystem/?filter=business-4-low-voltage-products-and-systems, xem ngày 02/08/2021 User’s Manual of Haiwell T and C series PLC MPU, , xem ngày 15/3/2020 Selec MFM383A user manual, , xem 12/3/2020 Nguyễn Đăng Hải (2008) Tìm hiểu mạng truyền thơng Modbus, , xem 20/3/2020 82 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 66 (10/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh User’s Manual of Haiwell C series Ethenet HMI,