ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ KHOA TỰ ĐỘNG HÓA ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG TRẠM BƠM Giảng viên hướng dẫn: ThS. Đinh Thị Lan Anh Sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Tuấn Mã số sinh viên: 20192146 Lớp: Tự động hóa 03 K64 MỤC LỤC MỤC LỤC 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 4 1.1. Lý do chọn đề tài 4 1.2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 2.1. Cấu trúc truyền thông 6 2.2. Các tiêu chuẩn truyền dẫn trong công nghiệp. 7 2.2.1. Giới thiệu về truyền dẫn qua chuẩn RS232 7 2.2.2. Chuẩn truyền dẫn RS485 8 2.3. Giao thức truyền thông 14 2.3.1. Giao thức truyền thông ngang hàng 15 2.3.2. Giao thức mạng Ethernet 15 2.3.3 Giao thức mạng Modbus 16 CHƯƠNG 3. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 22 3.1. Các thành phần và cấu trúc của hệ thống giám sát và quản lý năng lượng các trạm bơm. 22 3.2. Bài toán công nghệ 23 3.3. Nguyên tắc điều khiển của hệ thống 23 CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ 25 4.1. PLC Siemens S7 1200 CPU 1214 DCDCDC 25 4.1.1. Tổng quan PLC S71200 25 4.1.2. Cấu tạo PLC S71200 25 4.1.3. Tính năng của PLC S71200 26 4.2. Biến tần Siemens SINAMICS V20 6SL32105BE275UV0 27 4.2.1. Khái niệm biến tần 27 4.2.2. Đặc điểm nổi bật của biến tần Siemens SINAMICS V20 6SL32105BE275UV0 29 4.3. Đồng hồ điện đa năng Selec EM368C. 29 4.3.1. Giới thiệu về EM368C 29 4.3.2. Đặc tính của EM368C 30 4.3.3. Khả năng kết nối. 30 4.3.4. Bảng địa chỉ các tham số chính cho mạng Modbus. 31 4.3.5. Các kiểu đấu dây. 31 4.4. Switch mạng 33 4.5. Modun mở rộng 6ES72324HA300XB0 34 CHƯƠNG 5: SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY 36 5.1. Mạch nguồn 36 5.2. Mạch đấu dây PLC 36 5.3. Kết nối biến tần 36 5.4. Kết nối biến tần với bơm 37 5.5. Danh sách thiết bị phần cứng 37 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 39 6.1. Kết luận 39 6.2. Hạn chế của đề tài 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1. Lý do chọn đề tài Năng lượng vừa là ngành sản xuất vừa là ngành kết cấu cho toàn bộ nền kinh tế xã hội, là động lực của công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Chính vì vậy ngành năng lượng có ý nghĩa quan trọng trong tiến trình phát triển bền vững của kinh tế quốc dân và đời sống dân sinh. Tuy nhiên đang hiện hữu một thực tế nguồn năng lượng truyền thống đang cạn kiệt dần tỷ lệ thuận với tốc độ phát triển kinh tế. Với công nghệ lạc hậu, thiết bị cũ kỹ, ý thức tiết kiệm trong sử dụng năng lượng của từng đơn vị và cá nhân trong xã hội chưa thành tiềm thức, tự giác là các nguyên nhân dẫn đến hiệu quả sử dụng năng lượng của nước ta còn rất thấp. Đối với nguồn năng lượng hóa thạch của nước ta đang suy giảm dần do trữ lượng có hạn mà nhu cầu sử dụng ngày càng lớn, kèm theo đó là việc tiêu thụ năng lượng này đang gây ra ôi nhiễm môi trường nghiêm trọng. Vì vậy việc kiểm soát và sử dụng hiệu quả là vấn đề cấp thiết. Đối với nguồn năng lượng điện hiện nay công tác kiểm tra mức tiêu thụ điện năng của khách hàng vẫn sử dụng phương pháp thủ công. Phương pháp này bộc lộ khá nhiều nhược điểm như: mất nhiều thời gian, trong một thời điểm không thể kiểm soát được mức tiêu thụ điện năng,…. Vì vậy, để đáp ứng nhu cầu mang tính thực tiễn cao này nên em đã chọn đề tài “ Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng các trạm bơm”. Các trạm bơm thủy lợi đóng vai trò rất quan trọng trong việc điều tiết lưu lượng nước phục vụ cho sản xuất nông nghiệp. Nhiệm vụ của các trạm bơm là bơm thoát nước từ các kênh tiêu hở, từ các hố móng của vùng ngập nước để chống ngập úng. Vấn đề này đặc biệt cấp thiết trong mùa mưa, lũ do mực nước sông lên cao hơn mặt ruộng trong đồng, nước thừa trong đồng không tiêu tự chảy ra sông. Các trạm bơm cũng thực hiện việc bơm nước từ các sông, ngòi, hồ vào các kênh tưới tiêu để kịp thời cấp nước cho các khu vực canh tác. Theo đánh giá hiện trạng hệ thống công trình thủy lợi nói chung trong đó hiện có nhiều trạm bơm tiêu không còn đáp ứng được cho việc tiêu úng do đã bị hỏng hóc, thiết bị đã cũ, lạc hậu, không còn vận hành hoặc vận hành không hiệu quả, cần nhiều nhân lực vận hành và tiêu tốn điện năng rất lớn. Điều này đã gây ra thiệt hại đáng kể cho ngành nông nghiệp của Việt Nam. Xác định đây là một trong những vấn đề quan trọng và cấp bách, thời gian gần đây sở NNPTNN các tỉnh, thành phố đã đầu tư rất nhiều cho việc sửa chữa, nâng cấp và xây mới các công trình tiêu úng. Trạm bơm luôn là trái tim của các công trình thủy lợi ở đó phải đảm các yêu cầu vận hành một cách hiệu quả, tiết kiệm điện năng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và hạn chế sự tác động của con người. Để đạt được các mục tiêu này thì việc ứng dụng hệ thống điều khiển tự động và giám sát năng lượng tiêu thụ cho các trạm là sự lựa chọn tất yếu. 1.2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài Đối với các hệ trạm bơm thược tế thường sử dụng máy cơm công suất lớn, biến tần công suất lớn để bơm cấp nước. Để thực hiện được tốt đề tài, em đã: Hệ thống bao gồm: thiết bị đo điện năng, mạng truyền thông, phần mềm quản lý và thu thập dữ liệu, trung tâm lưu trữ dữ liệu. Nghiên cứu hệ thống bơm cấp nước trong thực tế. Nghiên cứu các chuẩn truyền dẫn phổ biến RS232RS485 Nghiên cứu các chuẩn truyền thông phổ biến, có sẵn trên các thiết bị đo lường, đồng hồ năng lượng hiện nay sử dụng kiểu truyền thông Modbus RTU, Modbus TCP trên thiết bị PLC S7120 do Semen sản xuất. Tìm hiểu về PLC S71200. Tìm hiểu cách sử dụng biến tần.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cấu trúc truyền thông
Cấu trúc truyền thông trong hệ thống công nghiệp quy định cách thức truyền thông tin giữa các thiết bị liên kết với nhau Các thiết bị cơ cấu chấp hành như motor và cảm biến thuộc cấp thứ nhất, hay còn gọi là cấp trường, và được điều khiển bởi các thiết bị cấp điều khiển Các thiết bị cấp điều khiển như PLC và PC thực hiện việc giám sát và điều khiển từ cấp cao hơn Thông thường, một hệ thống công nghiệp có năm cấp khác nhau.
Việc liên lạc và truyền tín hiệu giữa các thiết bị được thực hiện thông qua các đường dây bus tín hiệu, bao gồm bốn loại: bus trường, bus hệ thống, mạng xí nghiệp và mạng công ty Để đảm bảo tín hiệu được truyền qua các bus, có những tiêu chuẩn gọi là giao thức truyền thông Mỗi loại bus kết nối giữa hai cấp đều có giao thức truyền thông riêng, trong đó bus trường thường sử dụng các giao thức như Profibus và Modbus.
Mặc dù các giao thức truyền thông giữa các lớp có sự khác biệt, nhưng tất cả đều tuân theo một mô hình giao thức chung, đó là mô hình OSI (Open System Interconnect).
Mô hình OSI quy định trình tự để truyền một đoạn tin giữa 2 thiết bị.
Mô hình gồm N = 7 tầng OSI là hệ thống mở, phải có khả năng kết nối với các hệ thống khác nhau, tương thích với các chuẩn OSI.
Quá trình xử lý ứng dụng trong các hệ thống mở đảm bảo duy trì kết nối hiệu quả giữa các hệ thống.
Thiết lập kênh logic nhằm mục đích thực hiện việc trao đổi thông tin giữa các thực thể.
Mô hình OSI là nền tảng cho các giao thức truyền thông, trong đó Profibus và Modbus là hai giao thức phổ biến được sử dụng để kết nối giữa cấp trường và cấp điều khiển trong các nhà máy.
Modbus là một protocol phổ biến được sử dụng rộng rãi cho nhiều mục đích trong ngành công nghiệp Với tính đơn giản, chi phí thấp và dễ sử dụng, Modbus đã tồn tại gần 30 năm và vẫn được các nhà cung cấp thiết bị đo và tự động hóa hỗ trợ trong các sản phẩm mới Dù có sự phát triển của các giao diện kết nối không dây, Ethernet hay fieldbus, Modbus vẫn là sự lựa chọn hàng đầu cho cả thiết bị cũ và mới.
Một trong những ưu điểm nổi bật của Modbus là khả năng hoạt động trên hầu hết các phương tiện truyền thông, bao gồm cổng kết nối dây xoắn, không dây, sợi quang, Ethernet, modem điện thoại, điện thoại di động và vi sóng Điều này cho phép thiết lập kết nối Modbus một cách dễ dàng trong các nhà máy hiện đại cũng như các nhà máy đang hoạt động Ngoài ra, sự phát triển của Modbus/TCP đã cho phép giao thức Modbus truyền tải qua các hệ thống mạng nền TCP/IP.
Các tiêu chuẩn truyền dẫn trong công nghiệp
2.2.1 Giới thiệu về truyền dẫn qua chuẩn RS-232
RS-232 được thiết kế chủ yếu để kết nối điểm-điểm giữa các thiết bị đầu cuối (DTE) như máy tính PC, PLC, máy in và thiết bị truyền dữ liệu (DCE) Dữ liệu được truyền qua ba dây TxD, RxD và mass, với tín hiệu được so sánh với mass để phát hiện sai lệch Tuy nhiên, điều này làm cho việc khôi phục dữ liệu ở trạm phát trở nên khó khăn.
Chế độ làm việc của hệ thống RS-232 là full-duplex, cho phép hai thiết bị cùng thu và phát tín hiệu đồng thời Để thực hiện truyền thông, cần tối thiểu 3 dây dẫn: hai dây tín hiệu nối chéo giữa các đầu thu phát của hai trạm và một dây đất Với cấu hình tối thiểu này, trách nhiệm đảm bảo độ an toàn trong quá trình truyền dẫn tín hiệu thuộc về phần mềm.
Ta có thể kết nối trực tiếp hai thiết bị bằng chế độ bắt tay mà không cần modem Việc sử dụng dây dẫn DTR và DSR giúp đảm bảo độ an toàn trong giao tiếp Trong trường hợp này, các chân RTS và CTS sẽ được nối ngắn mạch.
Hình 2.2: Ghép nối trực tiếp
Chuẩn RS-232 có nhược điểm lớn là tín hiệu không thể truyền đi xa do mất mát tín hiệu không thể phục hồi Hơn nữa, chuẩn này chỉ cho phép giao tiếp giữa hai thiết bị, dẫn đến hạn chế số lượng thiết bị có thể kết nối trong mạng.
Một số đặc điểm của chuẩn truyền RS-232 là khoảng cách truyền tối đa là 15m,tốc độ truyền là 20Kbps, hỗ trợ kết nối điểm – điểm trong mạng.
2.2.2 Chuẩn truyền dẫn RS-485 Đặc tính điện học: sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dây dẫn A và B Nhờ vậy giảm được nhiễu và cho phép tăng chiều dài dây dẫn (có thể lên đến 1200m) Điện áp chênh lệch dương tương ứng với trạng thái logic 0 và âm tương ứng với trạng thái logic 1 Điện áp chênh lệch ở đầu vào dây nhận có thể xuống tới 200mV.
Bảng 1: Các thông số quan trọng của RS-485
Thông số Điều kiện Min Max Điện áp đầu ra hở mạch ± 1,5V ± 6V Điện áp đầu ra khi có tải Rload TΩ ± 1,5V ± 5V
Dòng ra ngắn mạch ± 250mA
Thời gian quá độ đầu ra Rload TΩ Cload
30%Ta Điện áp chế độ chung đầu ra VOC Rload TΩ -1V 3V Độ nhạy cảm đầu vào -7V< VCM < 12V ± 200mV Điện áp chế độ chung VCM -7V 12V
RS-485 cho phép kết nối nhiều điểm, với khả năng ghép nối lên đến 32 trạm mà không cần bộ lặp Trong quá trình giao tiếp, chỉ một trạm được phép kiểm soát đường dẫn và phát tín hiệu tại một thời điểm, do đó, các bộ kích thích phải chuyển về chế độ trở kháng cao khi không hoạt động, tạo điều kiện cho các trạm khác tham gia Chế độ này được gọi là chế độ tri-state Một số vi mạch RS-485 có khả năng tự động xử lý tình huống này, trong khi ở nhiều trường hợp khác, việc này phụ thuộc vào phần mềm điều khiển truyền thông Trong mạch của bộ kích thích RS-485, tín hiệu vào 'enable' được sử dụng để chuyển đổi giữa trạng thái phát tín hiệu và tri-state.
Hình 2.3: Sơ đồ bộ kích thích (driver) và bộ thu (receiver) RS-485
Phạm vi làm việc tối đa của tín hiệu là từ -6V đến 6V trong trường hợp hở mạch Tuy nhiên, trạng thái logic của tín hiệu được xác định trong khoảng từ ±1,5V đến ±5V cho đầu ra (bên phát) và từ ±0,2V đến ±5V cho đầu vào (bên nhận).
RS-485 cho phép kết nối mạng với tối đa 32 tải đơn vị (unit load, UL), tương ứng với 32 bộ thu phát hoặc nhiều hơn, tùy thuộc vào cách chọn tải cho từng thiết bị Mỗi bộ thu phát thường được thiết kế tương đương với một tải đơn vị Gần đây, có những nỗ lực để giảm tải xuống 1/2UL hoặc 1/4UL, tức là tăng trở kháng đầu vào lên hai hoặc bốn lần, nhằm mục đích tăng số lượng trạm lên 64 hoặc nhiều hơn.
128 Tuy nhiên tăng số trạm theo cách này sẽ gắn với việc phải giảm tốc độ truyền thông vì các trạm trở kháng lớn sẽ hoạt động chậm hơn.
Hình 2.4: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485.
Giới hạn 32 tải đơn vị trong hệ thống truyền thông nhiều điểm xuất phát từ đặc tính kỹ thuật của nó, với các tải được mắc song song, dẫn đến việc tăng tải sẽ làm suy giảm tín hiệu vượt quá mức cho phép Theo quy định chuẩn, một bộ kích thích tín hiệu cần đảm bảo dòng tổng cộng 60mA, đủ để cung cấp cho hệ thống hoạt động hiệu quả.
- Hai trở đầu cuối mắc song song tương ứng tải 60Q (120Q tại mỗi đầu) với điện áp tối thiểu 1,5V tạo dòng tương đương 25mA.
- 32 tải đơn vị mắc song song với dòng 1mA qua mỗi tải (trường hợp xấu nhất), tạo dòng tương đương 32mA.
RS-485 cho phép truyền tải dữ liệu với khoảng cách tối đa lên đến 1200m giữa trạm đầu và trạm cuối, không phụ thuộc vào số lượng trạm tham gia Tốc độ truyền dẫn tối đa có thể đạt 10Mbit/s, và một số hệ thống mới có thể hoạt động ở tốc độ 12Mbit/s Tuy nhiên, có mối quan hệ ràng buộc giữa tốc độ truyền dẫn và chiều dài dây dẫn, nghĩa là một mạng dài 1200m không thể hoạt động ở tốc độ 10Mbit/s Sự tương quan này phụ thuộc vào chất lượng cáp dẫn và đánh giá chất lượng tín hiệu.
Hình 2.5: Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn
Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn tối đa trong RS-485 sử dụng đôi dây xoắn AWG24.
Tốc độ truyền tối đa của mạng phụ thuộc vào chất lượng cáp, trong đó cáp đôi xoắn kiểu STP có khả năng chống nhiễu tốt hơn so với loại UTP, cho phép truyền tải với tốc độ cao hơn Sử dụng bộ lặp có thể mở rộng số trạm trong mạng và tăng chiều dài dây dẫn, đồng thời duy trì chất lượng tín hiệu.
RS-485 là tiêu chuẩn duy nhất do EIA phát triển, cho phép truyền thông đa điểm qua một đường dẫn chung duy nhất, được gọi là bus Do đó, RS-485 đã trở thành chuẩn cho lớp vật lý trong hầu hết các hệ thống bus hiện nay.
Cấu hình phổ biến nhất trong truyền tín hiệu là sử dụng hai dây dẫn, cho phép hệ thống hoạt động ở chế độ hai chiều gián đoạn (half-duplex) Trong chế độ này, các trạm có quyền truy cập bình đẳng vào đường dẫn Lưu ý rằng đường dẫn phải được kết thúc bằng hai trở tại hai đầu, không được phép có trở ở giữa dây Mặc dù hình ảnh không hiển thị dây nối đất, việc nối đất là rất quan trọng trong thực tế.
Hình 2.6: Cấu hình mạng RS-485
Cáp nối RS-485 không phải là một tiêu chuẩn hoàn chỉnh mà chỉ định nghĩa các đặc tính điện học, do đó không quy định cụ thể về cáp nối hay bộ nối Người dùng có thể sử dụng dây xoắn đôi, cáp trơn hoặc các loại cáp khác, nhưng dây xoắn đôi vẫn là lựa chọn phổ biến nhất nhờ khả năng chống tạp nhiễu và xuyên âm hiệu quả.
Do sự khác biệt về tốc độ truyền thông và chiều dài dây dẫn trong các ứng dụng, hầu hết các bus RS-485 cần sử dụng trở đầu cuối ở hai đầu dây Việc sử dụng trở đầu cuối giúp giảm thiểu các hiệu ứng phụ trong truyền dẫn tín hiệu, đặc biệt là hiện tượng phản xạ tín hiệu Trở đầu cuối cho RS-485 thường có giá trị từ 100Ω đến 120Ω.
Hình 2.8: Cấu hình mạng RS-485 sử dụng 4 dây
Giao thức truyền thông
Giao thức truyền thông đóng vai trò quan trọng trong cấu hình mạng PLC, ảnh hưởng trực tiếp đến việc truyền dữ liệu giữa các điểm Điều này đặc biệt quan trọng vì các bộ điều khiển phân tán cần phải truy xuất dữ liệu từ nhau để hoạt động hiệu quả.
2.3.1 Giao thức truyền thông ngang hàng
Lợi ích của giao thức truyền thông ngang hàng
- Việc truyền thông không phụ thuộc vào một thiết bị đơn lẻ nào - trạm chủ.
- Việc truyền thông được thực hiện trực tiếp giữa các thiết bị trong mạng mà không cần phải thông qua một trạm trung gian nào.
- Các thông điệp hệ thống được truyền trực tiếp đến tất cả các trạm trên mạng.
Ethernet, hay còn gọi là IEEE 802.3, là một giao thức mạng tiêu chuẩn hóa cho việc truyền thông tin gói trong mạng cục bộ Giao thức này thuộc lớp thứ hai trong mô hình OSI, tức là tầng data link Phương thức truyền tải của Ethernet sử dụng Carrier-Sense Multiple Access/Collision Detect (CSMA/CD), một phương thức phổ biến Tuy nhiên, để nâng cao tính bảo mật và an toàn cho hệ thống, việc sử dụng các đường truyền Ethernet nội bộ từ mạng LAN (Local Area Network) và WAN (Wide Area Network) với đầy đủ giải pháp bảo mật là rất cần thiết.
Ethernet có các đặc điểm mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng:
- Khởi động nhanh nhờ phương pháp kết nối đơn giản.
- Độ linh hoạt cao khi mạng hiện thời có thể được mở rộng mà không có bất kỳ ảnh hưởng bất lợi nào.
- Cơ sở cho nối mạng hệ thống mạng diện rộng (tích hợp theo chiều sâu).
- Cơ sở cho các dịch vụ Internet.
- Độ sẵn sàng cao do cấu trúc mạng có dự phòng.
- Thực hiện truyền thông gần như là không giới hạn do có thể áp dụng công nghệ chuyển mạch.
- Kết nối mạng của nhiều khu vực khác nhau, ví dụ như mạng văn phòng và mạng khu vực sản xuất.
- Truyền thông diện rộng thông qua kết nối mạng diện rộng (WAN).
- Dễ dàng kết nối các trạm di động vào mạng WLAN.
- An toàn đầu tư nhờ tính đảm bảo tương thích liên tục trong quá trình phát triển.
- Giám sát các thiết bị mạng liên tục với khái niệm tín hiệu đơn giản và hiệu quả.
Trong mạng Ethernet công nghiệp, việc đồng bộ hóa thời gian cho toàn bộ nhà máy là khả năng quan trọng Điều này đảm bảo rằng các sự kiện diễn ra một cách chính xác và theo đúng trình tự trong toàn bộ hệ thống sản xuất.
Cổng Ethernet 502 hỗ trợ giao thức Modbus TCP/IP, kết hợp mạng vật lý đa dụng với khả năng mở rộng và tiêu chuẩn kết nối phổ biến TCP/IP Điều này cho phép truyền tải dữ liệu độc lập với nhà cung cấp, mang lại tính linh hoạt và hiệu quả cho các ứng dụng công nghiệp.
2.3.3 Giao thức mạng Modbus a) Khái niệm tổng quát
Giao thức Modbus là một cấu trúc thư tín được phát triển bởi Modicon năm
1979, được xây dựng để truyền thông giữa master-slave/client-server giữa các thiết bị thông minh Nó hỗ trợ cả 2 chế độ truyền RS232 và RS485.
Sơ đồ bên dưới trình bày sự tham chiếu giao thức modbus nằm ở lớp thứ 7, thứ
Lớp thứ 7 của mô hình OSI, được gọi là lớp ứng dụng, đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ phương thức truyền thông giữa server và client Lớp này giúp các thiết bị kết nối trên bus hoặc mạng không dây giao tiếp hiệu quả hơn.
Lớp thứ 2 và thứ 1 quy định hình thức truyền dữ liệu theo kiểu nối tiếp và chuẩn vật lý EIA/TIA-485.
Hình 2.10: Giao thức Modbus tương ứng với lớp 7 của mô hình OSI.
Giao thức Modbus được ưa chuộng nhờ vào sự đơn giản, linh hoạt và độ tin cậy cao, cho phép truyền dữ liệu rời rạc hoặc tương tự Tuy nhiên, tốc độ truyền của giao thức này chỉ đạt từ 0.01Mbps đến 0.115Mbps, trong khi các mạng hiện đại có thể hỗ trợ tốc độ từ 5Mbps đến 16Mbps, và thậm chí mạng Ethernet có thể đạt tốc độ lên đến 100Mbps, 1Gbps và 10Gbps.
Căn cứ vào cách thức truyền dữ liệu trong mạng thì mạng Modbus được chia làm 3 loại: Modbus RTU, Modbus ASCII và Modbus TCP/IP.
- Modbus RTU: dữ liệu được truyền trên bus nối tiếp Dữ lệu được truyền trên mã hexadecimal Modbus RTU thường được sử dụng trong truyền thông đo lường.
Modbus ASCII là giao thức truyền dữ liệu qua bus nối tiếp, sử dụng định dạng mã ASCII Ưu điểm của nó là người dùng có thể dễ dàng hiểu dữ liệu đang được truyền Thông thường, Modbus ASCII được sử dụng để kiểm tra và giới thiệu về giao thức Modbus.
Modbus TCP/IP cho phép truyền dữ liệu qua mạng LAN hoặc mạng diện rộng với định dạng mã hexadecimal Ưu điểm của Modbus là khả năng hoạt động trên hầu hết các phương tiện truyền thông như cổng kết nối dây xoắn, không dây, sợi quang, Ethernet, modem điện thoại, điện thoại di động và vi sóng, giúp dễ dàng thiết lập kết nối trong các nhà máy hiện đại và cũ Modbus còn hỗ trợ truyền thông cho các hệ thống cũ sử dụng kết nối dây xoắn Nguyên tắc hoạt động của Modbus RTU yêu cầu chủ thiết bị gửi một thông điệp để kết nối.
Kiểm tra lỗi địa chỉ thiết bị trong Modbus là rất quan trọng, với các địa chỉ từ 0 đến 247 Địa chỉ 0 cho phép gửi thông điệp đến tất cả các thiết bị, trong khi các địa chỉ từ 1 đến 247 chỉ định các thiết bị cụ thể Ngoại trừ việc gửi thông điệp đến địa chỉ 0, mỗi thiết bị đều phản hồi lại thông điệp Modbus, giúp chủ sở hữu xác nhận rằng thông điệp đã được nhận.
Bảng 3 Các mã chức năng
Yêu cầu Mã chức năng
02 Đọc đầu ra rời rạc
04 Đọc bô ghi đầu vào
07 Đọc trạng thái ngoại lệ
08 Chuẩn đoán xx 255 mã chức năng, phụ thuộc vào thiết bị
Mã chức năng xác định yêu cầu thiết bị tớ thực hiện hoạt động như đọc dữ liệu, chấp nhận dữ liệu, thông báo trạng thái,…
Mã chức năng là từ 1 255 Một số mã chức năng còn có các mã chức năng phụ.
Dữ liệu xác định địa chỉ trong bộ nhớ thiết bị chứa các giá trị và thông tin cần thiết, phục vụ cho các yêu cầu chức năng khác nhau.
Kiểm tra lỗi sử dụng giá trị CRC (kiểm tra dự phòng tuần hoàn) 16 bit, do thiết bị chủ tạo ra và thiết bị nhận kiểm tra Nếu giá trị CRC không hợp lệ, thiết bị sẽ yêu cầu truyền lại thông điệp.
Khi thiết bị thực hiện các chức năng theo yêu cầu, nó sẽ gửi thông điệp đến chủ sở hữu Thông điệp này bao gồm địa chỉ của thiết bị, mã chức năng, dữ liệu cần thiết và một giá trị kiểm tra lỗi.
- Bản đồ bộ nhớ Modbus
Mỗi thiết bị Modbus có bộ nhớ lưu trữ dữ liệu quá trình, với các thông số kỹ thuật chỉ rõ cách thức và loại dữ liệu có thể truy xuất Tuy nhiên, không có giới hạn nào về cách thức và vị trí mà nhà cung cấp có thể sắp xếp dữ liệu trong bộ nhớ Dưới đây là ví dụ về cách mà nhà cung cấp tổ chức các loại dữ liệu.
Các đầu vào và cuộn cảm rời rạc có giá trị 1 bit, mỗi thiết bị có địa chỉ cụ thể Đầu vào analog được lưu trữ trong bộ ghi 16 bit Modbus hỗ trợ định dạng điểm nổi IEEE 32 bit bằng cách sử dụng 2 bộ ghi Bộ ghi Holding cũng sử dụng các bộ ghi bên trong 16 bit để hỗ trợ điểm nổi.
Bảng 4: Địa chỉ thanh ghi theo chuẩn Modbus Địa chỉ Loại Tên
1 - 9999 Đọc hoặc viết Cuộn cảm
10001 - 19999 Chỉ đọc Đầu vào rời rạc
30001 - 39999 Chỉ đọc Bộ ghi đầu vào
40001 - 49999 Đọc hoặc viết Bộ ghi Holding
Dữ liệu trong bộ nhớ được xác định theo tiêu chuẩn kỹ thuật Modbus, và nếu nhà cung cấp tuân thủ tiêu chuẩn này, mọi dữ liệu sẽ dễ dàng được truy cập bởi chủ thiết bị Trong nhiều trường hợp, nhà cung cấp thiết bị cũng công bố vị trí bộ nhớ, giúp nhân viên lập trình thuận tiện hơn trong việc kết nối với thiết bị.
- Đọc và viết dữ liệu
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
Các thành phần và cấu trúc của hệ thống giám sát và quản lý năng lượng các trạm bơm
Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu
Kiểm soát và thống kê chỉ số năng lượng tiêu thụ, đặc biệt là năng lượng điện từ xa, đang trở thành mối quan tâm hàng đầu Nhờ vào sự phát triển của máy tính và các thiết bị đo lường, việc thu thập và xử lý dữ liệu trở nên hiệu quả hơn, giúp tiết kiệm chi phí trong quá trình quản lý năng lượng.
Trạm bơm sử dụng nhiều máy bơm để cấp nước vào một đường ống, với áp lực và lưu lượng thay đổi theo nhu cầu sử dụng hàng giờ Các thiết bị như đường ống, van và đài nước được thiết kế để xử lý lưu lượng nước lớn Để điều chỉnh lưu lượng nước bơm, phương pháp điều khiển truyền động biến đổi tốc độ bằng biến tần kết hợp với thuật toán điều khiển PID được áp dụng Biến tần giúp điều chỉnh tốc độ quay của động cơ bằng cách thay đổi tần số dòng điện cung cấp.
Hệ thống được thiết kế nhằm thu thập tín hiệu từ các thiết bị đo điện năng và mực nước, chuyển về phòng giám sát trung tâm Mục tiêu là theo dõi, tổng hợp, phân tích, đánh giá và lưu trữ các thông số này theo thời gian thực.
Các thiết bị theo dõi và đo đếm điện năng tại các trạm biến áp xa trung tâm giám sát được kết nối với bộ truyền dữ liệu qua mạng Modbus.
Bài toán công nghệ
Công nghệ điều khiển tự động và giám sát năng lượng phải đảm bảo các yêu cầu sau:
Nước ngập vào đầu bể hút của các bơm 1 - N (với N = 5) và các cảm biến đo mực nước sẽ phản hồi về PLC PLC thu thập dữ liệu từ các đồng hồ đo mực và điều khiển hoạt động của máy bơm dựa trên thông tin này.
Sử dụng máy cắt/biến tần để khởi động máy bơm;
Các đồng hồ đa chức năng đo các thông số điện, thông số nhiệt độ của từng bơm và đồng thời phản hồi về PLC;
PLC hiển thị thông tin trên màn hình HMI (Giao diện Người-Máy) về các kết nối và tình trạng hoạt động của từng bơm, bao gồm thời gian hoạt động, nhiệt độ và các thông số điện năng Điều này giúp giám sát và thu thập dữ liệu về năng lượng tiêu thụ một cách hiệu quả.
Máy bơm dừng khi nhận tín hiệu Stop từ màn điều khiển hoặc bơm lỗi hoặc khi cảm biến báo bể cạn;
Dữ liệu được lưu trữ tại Server, dùng để trích xuất báo cáo khi cần thiết.
Nguyên tắc điều khiển của hệ thống
Đầu ra của PLC được nối với biến tần để điều khiển biến tần và từ dây biến tần điều khiển tốc độ động cơ.
Việc sử dụng thiết bị biến tần cho phép điều chỉnh linh hoạt lưu lượng và áp lực cấp vào mạng lưới theo yêu cầu tiêu thụ Tín hiệu từ cảm biến áp lực được gửi về PLC, nơi PLC so sánh giá trị này với giá trị đặt Dựa trên sự so sánh đó, PLC sẽ ra lệnh cho biến tần thay đổi tốc độ của động cơ bằng cách điều chỉnh tần số dòng điện, đảm bảo áp suất nước trong đường ống được ổn định.
Các bơm sẽ được liên kết với tủ điện điều khiển, trong đó các cảm biến nhiệt độ, đồng hồ đo điện và cảm biến mức nước sẽ kết nối với PLC PLC sau đó sẽ được kết nối với bàn điều khiển trung tâm để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Hệ thống bơm cho phép điều khiển bằng tay qua bàn điều khiển hoặc màn hình giám sát, đồng thời có khả năng tự động hóa và thu thập dữ liệu năng lượng để giám sát trên màn hình máy tính tại phòng kỹ thuật.
Dữ liệu được đưa về lưu trữ tại Server, có thể xuất ra, in báo cáo về quá trình hoạt động, sử dụng năng lượng của các bơm;
Toàn bộ trạm bơm được tích hợp hệ thống Camera giám sát để giám sát an ninh và vận hành tại những vị trí cần thiết.
TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ
PLC Siemens S7 1200 CPU 1214 DC/DC/DC
Năm 2009, Siemens đã giới thiệu PLC S7-1200, sản phẩm kế thừa và phát triển từ dòng S7-200, bộ điều khiển quen thuộc với người dùng PLC S7-1200 sở hữu nhiều tính năng nổi bật, mang lại hiệu suất và khả năng linh hoạt cao cho các ứng dụng tự động hóa.
Hình 4.1: Sự kết hợp của HMI, PLC và phần mềm
PLC S7-1200, với thiết kế mô-đun và tính năng cao, phù hợp cho nhiều ứng dụng tự động hóa từ nhỏ đến trung bình Điểm nổi bật của PLC này là việc tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet (Ethernet) và sử dụng phần mềm Simatic Step 7 Basic cho lập trình PLC cùng các màn hình HMI, giúp đơn giản hóa quy trình thiết kế, lập trình và thi công hệ thống điều khiển.
Bên cạnh CPU PLC S7-1200 và phần mềm lập trình mới, một loạt màn hình HMI hiện đại dành cho PLC S7-1200 cũng được giới thiệu, tạo nên giải pháp tích hợp và đồng nhất cho thị trường tự động hóa cỡ nhỏ (Micro Automation).
Hình 4.2: Thành phần của PLC S7-1200
(1) Bộ phận kết nối nguồn.
(2) Các bộ phận kết nối nổi dậy của người dùng có thể tháo được (phía sau cácnắp che) và khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên
(3) Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp (4) Bộ phận kết nối PROFINET (phía trên của CPU
Các loại CPU đa dạng mang đến nhiều tính năng và dung lượng, giúp người dùng phát triển các giải pháp hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Tính năng trong truyền thông:
Hình 4.3: cổng kết nối Ethernet
- Cổng truyền thông Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn trên PLC S7-1200
- Dùng kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet mở
- Đầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo
- Hỗ trợ 16 kết nối ethernet
- TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol
Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình của PLC S7- 1200:
- 6 bộ đếm tốc độ cao (high speed counter) dùng cho các ứng dụng đếm và đo lường, trong đó có 3 bộ đếm 100kHz và 3 bộ đếm 30kHz
- ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ và vị trí động cơ bước hay bộ servo (servo drive)
- Ngõ ra điều rộng xung PWM, điều khiển tốc độ động cơ, vị trí valve, điều khiển nhiệt độ
- 16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số điểu khiển (auto-tune functionality)
- Ngõ vào analog 0-10V được tích hợp trên CPU
- module truyền thông có thể kết nối vào CPU mở rộng khả năng truyền thông, vd module RS-232 hay RS-485
- Module truyền thông của PLC S7-1200
CPU PLC S7-1200 không chỉ tích hợp sẵn truyền thông Ethernet mà còn cho phép mở rộng với 3 module truyền thông khác nhau, mang lại sự linh hoạt trong kết nối Khi ra mắt, PLC S7-1200 đã hỗ trợ các module RS-232 và RS485, giúp kết nối với nhiều giao thức truyền thông như Modbus và USS.
- Sự tương thích về phần mềm lập trình giữa PLC S7-1200 và PLC S7-200.
Bộ điều khiển PLC S7-1200 yêu cầu phần mềm lập trình STEP 7 Basic phiên bản 10.5 hoặc cao hơn Việc lập trình không khả thi với phiên bản cũ hơn của STEP 7 hoặc phần mềm STEP 7-Micro/WIN.
Biến tần Siemens SINAMICS V20 6SL3210-5BE27-5UV0
Biến tần là thiết bị điều chỉnh tần số dòng điện trong cuộn dây động cơ, cho phép kiểm soát tốc độ động cơ một cách linh hoạt mà không cần hộp số cơ khí Thông qua việc sử dụng linh kiện bán dẫn, biến tần đóng ngắt tuần tự các cuộn dây, tạo ra từ trường xoay để quay rô-to.
Hình 4.4 Sơ đồ cấu tạo biến tần
Biến tần Siemens, một sản phẩm nổi tiếng của thương hiệu Nhật Bản, đã trở thành lựa chọn phổ biến tại Việt Nam trong nhiều năm qua Với khả năng đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khắt khe trong ngành công nghiệp, biến tần Siemens được khách hàng tin tưởng nhờ vào chất lượng tốt và hoạt động ổn định Sản phẩm này thường được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất, hệ thống tự động hóa, và hệ thống điều khiển trong các nhà máy và tòa nhà.
4.2.2 Đặc điểm nổi bật của biến tần Siemens SINAMICS V20 6SL3210-5BE27- 5UV0
Bộ lọc EMC tích hợp trong biến tần FR-A800 và FR-F800 giúp giảm thiểu điện từ, đồng thời có thể kết hợp với cuộn kháng AC và DC để triệt tiêu dòng điện hài, cải thiện hệ số công suất Biến tần Siemens đáp ứng các tiêu chuẩn RoHS của EU, đảm bảo an toàn cho con người và bảo vệ môi trường.
Biến tần Siemens mang đến khả năng điều khiển mạnh mẽ và chính xác, giúp nâng cao hiệu suất động cơ và tối ưu hóa hoạt động Sản phẩm này cũng cung cấp giải pháp tiết kiệm năng lượng hiệu quả, góp phần cải thiện hiệu suất tổng thể trong các ứng dụng công nghiệp.
Quạt làm mát và tụ điện có tuổi thọ lên tới 10 năm, đảm bảo độ bền cao và dễ bảo trì Độ suy giảm của tụ điện mạch chính, tụ điện mạch điều khiển và điện trở giới hạn dòng điện có thể được theo dõi một cách hiệu quả Biến tần tự chẩn đoán mức độ suy giảm và đưa ra cảnh báo, giúp ngăn ngừa sự cố Việc nâng cấp và bảo trì cũng diễn ra thuận tiện, mang lại sự an tâm cho người sử dụng.
Cài đặt biến tần trở nên dễ dàng với bảng điều khiển trực tiếp hoặc thông qua phần mềm FR Configurator và FR Configurator2 trên máy tính.
Đồng hồ điện đa năng Selec EM-368C
4.3.1 Giới thiệu về EM-368C Đồng hồ điện đa năng selec EM-368C do hãng Selec sản xuất với những tính năng ưu việt cho giám sát năng lượng Giá thành của đồng hồ rẻ hơn so với các loại tương đương của hãng khác Nên nó rất được ưa chuộng cho giải pháp giám sát năng lượng.
Khi lắp ráp tủ điện, khách hàng thường cần trang bị đồng hồ đo công suất 3 pha Việc kiểm soát điện năng tiêu thụ, công suất phản kháng Q, hệ số công suất và công suất hữu công trở nên rất cần thiết trong bối cảnh tiết kiệm điện năng hiện nay.
Các doanh nghiệp đang rất quan tâm đến việc khoán số điện theo từng ca sản xuất nhằm kiểm chứng các biện pháp tiết kiệm điện, phân bố tải theo thời gian và điều chỉnh độ lệch pha của tải.
Selec đã phát triển sản phẩm EM-368C, cho phép đo lường hầu hết các tham số của mạng 3P và 1P chỉ với một thiết bị duy nhất Với chi phí thấp hơn nhiều so với phương pháp truyền thống, khách hàng có thể sở hữu một tủ điện chuyên nghiệp hơn và tiết kiệm chi phí Việc đo các tham số trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn bao giờ hết.
EM-368C là phiên bản nâng cấp hơn so với phiên bản cũ của nó là EM-368 Có thêm hỗ trợ truyền thông Modbus RTU.
Hình 4.6: Đồng hồ điện đa năng EM-368C
- Ngõ vào: 3 pha 4 dây, 3 pha 3 dây, 2 pha 3 dây, 1 pha 2 dây.
- Hiển thị: LCD, 8 số điện năng kWh, kVarh, kVA, kW, kVar
- Điện áp ngõ vào: 11 đến 300V đối với áp pha.
- 19 đến 519V đối với áp dây.
- Dòng ngõ vào: 5A AC Nhỏ nhất 11mA Lớn nhất 6A.
- Biến dòng: sơ cấp 1A/5A tới 10000A Thứ cấp: 1A hoặc 5A
- Biến thế: sơ cấp: 100V tơi 500kV
- Công suất tiêu thụ: ít hơn 8VA
- Khả năng nhớ: 10 năm cho chỉ số điện năng
- Kiểu truyền dẫn: Half duplex
- Kiểu dữ liệu: Số thực hoặc số nguyên.
- Khoảng cách truyền dẫn: Tối đa 500m.
- Thời gian trả lời: 100ms.
4.3.4 Bảng địa chỉ các tham số chính cho mạng Modbus.
Bảng 5: địa chỉ các chức năng chính của đồng hồ EM-368C Địa chỉ Địa chỉ HEX Tham số
30006 0x06 Hệ số công suất pha 1
30008 0x08 Hệ số công suất pha 2
30010 0x0A Hệ số công suất pha 3
30012 0x0C Hệ số công suất trung bình
30016 0x10 Công suất phản kháng kVar
40002 0x02 Thứ cấp của biến dòng
40003 0x03 Sơ cấp của biến dòng
40004 0x04 Thứ cấp của biến áp đo lường
40005 0x05 Sơ cấp của biến áp đo lường
Hình 4.7: Sơ đồ kết nối đồng hồ EM-368C trong mạng điện 3 pha, 4 dây a Kết nối qua 3 CT, b.Kết nối qua 3 CT, 3 PT
Hình 4.8: Sơ đồ kết nối đồng hồ EM-368C trong mạng điện 3 pha, 3 dây a Kết nối qua 2 CT, b Kết nối qua 2 CT, 2 PT
Hình 4.9: Sơ đồ kết nối đồng hồ EM-368C trong mạng điện 2 pha, 3 dây a Kết nối qua 2 CT, bKết nối qua 2 CT, 2 PT
Hình 4.10: Sơ đồ kết nối đồng hồ EM-368C trong mạng 1 pha
Switch mạng
D-Link DES-1016D, Switch 16-port 10/100/1000Mbps với mạng EthernetGigabit đạt đến tốc độ ánh sáng, Switch Gigabit 16-port 10/100/1000Mbps cung cấp năng lượng, hiệu suất, đảm bảo mang lại lợi ích cao với thiết kế gọn gàng Tăng tốc độ của mạng làm việc và các kết nối chính, hoặc tạo Gigabit ở desktop với tính xác thực.
Quyền hạn của người sử dụng trong các không gian như nhà, văn phòng, nhóm làm việc, và môi trường sản xuất sáng tạo ngày càng được mở rộng, giúp tăng cường khả năng giao tiếp Người dùng có thể dễ dàng chia sẻ các hình ảnh, CGI, CAD, và tệp đa phương tiện qua mạng một cách nhanh chóng và hiệu quả.
Với thiết kế độc đáo 1RU linh hoạt và chắc chắn, DES-1016 có thể dùng giá đỡ với kích thước chuẩn 19 inch, tiết kiệm được không gian.
Switch mạng D-Link Gigabit cho phép người dùng dễ dàng cắm vào và sử dụng mà không cần cài đặt phức tạp Tất cả các port đều tự động điều chỉnh MDI/MDI-X, loại bỏ nhu cầu sử dụng cáp chéo khi kết nối với switch hay hub khác Tốc độ kết nối của thiết bị mạng (10, 100, hoặc 1000 Mbps) được tự động điều chỉnh để đảm bảo tương thích tối ưu Ngoài ra, switch còn được trang bị đèn LED hiển thị trạng thái, giúp người dùng nhanh chóng phát hiện và khắc phục sự cố trong hệ thống mạng.
Modun mở rộng 6ES7232-4HA30-0XB0
Hình 4.12 Modun mở rộng 6ES7232-4HA30-0XB0
Mô đun 6ES7232-4HA30-0XB0 do Siemens sản xuất là một mô đun I/O số, cho phép kết nối các tín hiệu vào và ra trong các ứng dụng tự động hóa công nghiệp.
Mô đun này có các đặc điểm kỹ thuật chính sau đây:
- Mô đun đầu vào số: 32 đầu vào số (DI) điện áp DC 24V.
- Mô đun đầu ra số: 32 đầu ra số (DO) điện áp DC 24V/0.5A.
- Điện áp cung cấp: DC 24V.
- Tích hợp 2 bộ mã hóa ngược dạng RS422.
- Có tích hợp watchdog và chức năng vi điều khiển.
- Giao tiếp với các bộ điều khiển hoặc PLC thông qua giao diện PROFIBUS DP.
- Mô đun có thiết kế nhỏ gọn, được lắp đặt trên thanh DIN tiêu chuẩn.
SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY
Mạch nguồn
Hình 5.1 Sơ đồ mạch nguồn
Bộ nguồn OMRON biến điện áp AC thành DC cấp nguồn cho PLC.
Mạch đấu dây PLC
Hình 5.2 Sơ đồ mạch đấu dây PLC
Hình 5.3 Sơ đồ kết nối biến tần
5.4 Kết nối biến tần với bơm
Hình 5.4 Sơ đồ kết nối biến tần với bơm
5.5 Danh sách thiết bị phần cứng
Tên thiết bị Số lượng
PLC Siemens S7 1200 CPU 1214 DC/DC/DC 1
Modun mở rộng 6ES7232-4HA30-0XB0 1
Bơm công nghiệp inter CM40-200A 5 Biến tần SIEMENS SINAMICS V20 6SL3210-5BE27-5UV0 5
Cảm biến đo mức RFLS – 35N 5 Đồng hồ điện đa năng Selec EM-368C 5
Thiết bị đóng cắt MCB 7
Kết nối biến tần với bơm
Hình 5.4 Sơ đồ kết nối biến tần với bơm
Danh sách thiết bị phần cứng
Tên thiết bị Số lượng
PLC Siemens S7 1200 CPU 1214 DC/DC/DC 1
Modun mở rộng 6ES7232-4HA30-0XB0 1
Bơm công nghiệp inter CM40-200A 5 Biến tần SIEMENS SINAMICS V20 6SL3210-5BE27-5UV0 5
Cảm biến đo mức RFLS – 35N 5 Đồng hồ điện đa năng Selec EM-368C 5
Thiết bị đóng cắt MCB 7