Mục tiêu đề tài
Mục tiêu của đề tài là xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát điện năng tòa nhà sử dụng công nghệ Modbus TCP/IP để thu thập dữ liệu và giám sát các thông số tại các trạm Hệ thống này kết hợp dữ liệu đã thu thập với thuật toán lập trình sẵn trên PLC để cảnh báo các lỗi điện như quá công suất và sụt áp Ngoài ra, người dùng có thể giám sát và điều khiển thông qua giao diện Web Server, cho phép theo dõi điện năng và các thông số liên quan từ bất kỳ đâu có kết nối mạng Ethernet.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm, tiến hành từ tổng quát đến chi tiết, đồng thời kế thừa các thành quả từ những nghiên cứu liên quan trước đó.
Kế hoạch nghiên cứu
Để hoàn thành đề tài, nhóm chúng tôi thực hiện đề tài theo 4 giai đoạn:
Giai đoạn 1 tập trung vào việc nghiên cứu lý thuyết về các phương pháp giám sát điện năng trong tòa nhà (PMS) và hệ thống giám sát toàn nhà cao tầng (BMS) hiện nay Việc hiểu rõ các phương pháp này là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và quản lý tài nguyên trong các công trình xây dựng hiện đại.
- Giai đoạn 2: Tìm hiểu về nguyên lý truyền thông Mobus TCP/IP, truyền thông PLC S7-1200, các giao thức giao tiếp với vi điều khiển UART, RTU…
- Giai đoạn 3: Lập trình theo yêu cầu kỹ thuật đã đặt ra
- Giai đoạn 4: Hoàn thành mô hình, và luận văn báo cáo.
Nội dung đề tài
Trong đề tài tốt nghiệp, nhóm chúng tôi tập trung vào việc thiết kế mô hình giám sát điện năng tiêu thụ cho tòa nhà, sử dụng chuẩn truyền thông Modbus TCP/IP Mục tiêu của chúng tôi là làm chủ công nghệ này và triển khai đề tài vào thực tế.
Các nội dung chính của đề tài:
- Truyền thông Modbus TCP/IP giữa PLC với vi điều khiển Arduino;
- Truyền thông PLC S7-1200 theo mô hình Server – Client;
- Thiết kế giao diện điều khiển giám sát SCADA;
- Thiết kế giao diện điều khiển giám sát Web Server;
- Giao tiếp vi điều khiển Arduino với cảm biến dòng PZEM 004T
Hệ thống có thể mang lại các lợi ích như:
- Hệ thống tự tin có thể giúp người dùng mạng lại hiệu quả cao trong giám sát nhiều khu vực hay tầng trong các tòa nhà cao tầng;
- Thu thập dữ liệu nhanh chóng, khả năng thực hiện can thiệp sự cố nhanh chóng;
- Giám sát trược tiếp ngay trên hệ thống SCADA theo thời gian thực;
- Tất cả các dữ liệu được lưu trữ phục vụ cho đánh giá, bảo trì, thay thế các thiết bị;
- Truy cập và giám sát dễ dàng, mọi lúc mọi noi ngay trên giao diện người dùng Web Server.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TÒA NHÀ
Tìm hiểu về hệ thống giám sát tòa nhà BMS
1.1.1 Tổng quát về hệ thống BMS
Hệ thống BMS (Building Management System) là giải pháp đồng bộ cho phép quản lý và điều khiển toàn bộ thiết bị kỹ thuật trong tòa nhà, đảm bảo an toàn vận hành, phòng cháy chữa cháy, và tiết kiệm thời gian, nhân lực Với tính năng đồng bộ cao và khả năng hoạt động thời gian thực, BMS phù hợp với xu hướng công nghiệp hóa hiện nay Các hệ thống BMS hiện đại sử dụng bộ xử lý tiên tiến, kết hợp với phần mềm và phần cứng như DCS, PC Industry, và SCADA Trong đồ án tốt nghiệp này, nhóm chúng tôi tập trung vào giám sát điện năng như đề tài nghiên cứu chính.
Hình 1.1 Sơ đồ chi tiết các đối tượng giám sát của hệ thống BMS
1.1.2 Các đối tượng quản lý của hệ thống BMS Đối với các hệ thống tòa nhà đặc biệt là các tòa nhà cao tầng thì hệ thống BMS được coi như là cơ quân đầu não hay là trung tâm điều khiển của hệ thống kỹ thuật công trình
Do đó, trong cơ chế quản lý của BMS sẽ bao gồm các đối tượng sau:
- Hệ thống phân phối, giám sát, điều khiển điện.: tự động bật/tắt dựa vào trạng thái lưới điện, giám sát nhiên liệu;
- Hệ thống chiếu sáng: bật/ tắt các thiết bị chiếu sáng theo lịch trình cụ thể;
- Hệ thống điều hòa và thông gió: lập lịch bật/tắt, duy trì các giá trị tại một điểm đặt;
- Hệ thống cấp nước sinh hoạt: đóng mở các van tự động, kiểm soát chất lượng nước;
- Hệ thống báo cháy và chữa cháy tự động: kiểm soát vị trí, cảnh báo và chữa cháy;
- Hệ thống thang máy: kiểm soát trạng thái, điện thoại cứu trợ, video;
- Hệ thống cấp nước xử lý nước thải;
- Hệ thống thông báo hình ảnh cộng đồng;
- Hệ thống kiểm soát thẻ vào ra;
- Hệ thống an ninh tòa nhà: Camera an ninh, thẻ vào ra, các hệ thống nhận dạng sinh học;
- Hệ thống thông tin liên lạc
1.1.3 Cấu trúc của hệ thống BMS
Về cấu trúc của hệ thống BMS thì gồm có 4 phần chính (xem Hình 1.2):
- Phần mềm điều khiển trung tâm;
- Thiết bị cấp trường quản lý;
- Bộ điều khiển cấp trường;
- Cảm biến và các cơ cấu chấp hành
Hình 1.2 Tổng quan sơ đồ cấu trúc hệ thống BMS Đối với đề tài “Giám sát điện năng tiêu thụ tòa nhà sử dụng chuẩn truyền thông
Modbus TCP/IP” của chúng tôi thì 4 thành phần chính gồm:
Để đáp ứng nhu cầu về hiệu quả và tiện dụng, nhóm chúng tôi đã chọn phần mềm giám sát SCADA - WinCC Professional, tích hợp trong TIA Portal V15, nhằm giám sát và điều khiển hệ thống (xem Hình 1.3) Ngoài ra, chúng tôi còn phát triển hệ thống Web Server dựa trên Node JS, cho phép người dùng giám sát và điều khiển hệ thống điện năng trong tòa nhà từ xa, chỉ cần có kết nối internet.
Hình 1.3 Mô hình SCADA trong giám sát điện năng được xây dựng trên WinCC Pro
- Thiết bị trường và cấp quản lý:
Chức năng giám sát và vận hành hệ thống kỹ thuật bao gồm hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, theo dõi và xử lý tình huống bất thường Cấp này cũng thực hiện các yêu cầu điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức Việc thực hiện các chức năng này thường không yêu cầu thiết bị phần cứng đặc biệt, chỉ cần máy tính thông thường.
Trong nghiên cứu này, nhóm chúng tôi sử dụng laptop cài đặt phần mềm giám sát SCADA và kết nối Internet, thay thế cho các loại PC Industry đang phổ biến hiện nay (xem Hình 1.4) Thiết bị này cho phép người dùng, kỹ thuật viên hoặc giám sát viên thao tác trực tiếp để điều khiển hệ thống BMS, cụ thể là hệ thống giám sát điện năng.
Hình 1.4 Hệ thống PC Industry cấp thiết bị trường và quản lý trong thực tế
- Bộ điều khiển cấp trường:
Hiện nay, thị trường có nhiều bộ điều khiển cấp trường như DDC, PLC, PXC, PAC, DCS, phù hợp với hệ thống BMS và PMS Chức năng chính của các bộ điều khiển này là nhận thông tin từ cảm biến, xử lý theo thuật toán đã lập trình và truyền dữ liệu xuống các bộ chấp hành Máy tính theo dõi các công cụ đo lường và thực hiện các thao tác như mở/đóng van, điều chỉnh cần gạt và núm xoay Đặc điểm nổi bật của cấp điều khiển là khả năng xử lý thông tin và truyền tín hiệu đến các cơ cấu chấp hành, với cảm biến và chấp hành được lắp đặt gần hệ thống kỹ thuật.
Trong bối cảnh hạn chế về đề tài và ngân sách, nhóm chúng tôi đã lựa chọn sử dụng bộ điều khiển logic PLC Siemens S7-1200 làm thiết bị điều khiển cho hệ thống.
Hình 1.5 Bộ điều khiển cấp trường PLC dòng S7 của Siemens
Cấp chấp hành bao gồm các thiết bị đầu vào như hệ thống cảm biến, camera và đầu thẻ, cùng với các cơ cấu chấp hành đầu ra như quạt, điều hòa, đèn, còi, chuông, máy bơm, van, động cơ Chức năng chính của hệ thống là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu Hầu hết các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành đều có phần điều khiển riêng để đảm bảo việc đo lường và truyền động chính xác, nhanh nhạy Các thiết bị thông minh với bộ vi xử lý có khả năng xử lý và chuẩn bị thông tin cấp điều khiển, cho phép lấy dữ liệu trực tiếp mà không cần qua khâu xử lý tín hiệu.
Hệ thống PMS của nhóm chúng tôi đã được tối ưu hóa để xử lý các tín hiệu điện áp thông qua giao tiếp với module cảm biến dòng và vi điều khiển Arduino, giúp thu thập dữ liệu một cách nhanh chóng và chính xác Điều này góp phần nâng cao hiệu quả trong quá trình xử lý ở cấp điều khiển trường.
Các cơ cấu chấp hành mà chúng tôi sử dụng trong đề tài lần này: Module cảm biến dòng PZEM 004T, Relay 24 VD, các bóng đèn…
1.1.4 Tính năng và lợi ích của việc hệ thống BMS nói chung và PMS nói riêng 1.1.4.1 Tính năng cơ bản của hệ thống BMS và PMS
- Cho phép các thiết bị trong tòa nhà hoạt động một cách đồng bộ, chính xác theo đúng yêu cầu của người điều hành;
- Cho phép điều khiển các ứng dụng trong tòa nhà thông qua cáp điều khiển và giao thức mạng và đáp ứng nhanh, hiệu quả;
Kết nối các hệ thống kỹ thuật như an ninh và báo cháy thông qua cổng giao diện mở, sử dụng các ngôn ngữ giao diện theo tiêu chuẩn quốc tế.
- Giám sát được môi trường không khí, môi trường làm việc của con người;
- Tổng hợp dữ liệu để lưu trữ, theo dõi, báo cáo thông tin theo định kỳ;
- Cảnh báo sự cố, đưa ra những tín hiệu cảnh báo kịp thời cho người vận hành để có hướng xử lý tốt nhất;
Quản lý dữ liệu bao gồm việc soạn thảo chương trình, quản lý cơ sở dữ liệu, và sử dụng chương trình soạn thảo đồ họa Ngoài ra, việc lưu trữ và sao lưu dữ liệu cũng rất quan trọng để phục vụ cho mục đích báo cáo và giám sát định kỳ.
- Hệ thống BMS cũng như PMS linh hoạt, có khả năng mở rộng với các giải pháp sẵn sàng đáp ứng với mọi yêu cầu
1.1.4.2 Lợi ích của hê thống BMS và PMS
- Đơn giản hóa và tự động hóa vận hành các quá trình, chức năng, yêu cầu vận hành có tính lặp đi lặp lại;
Quản lý thiết bị trong tòa nhà hiệu quả hơn thông qua hệ thống lưu trữ dữ liệu, chương trình bảo trì bảo dưỡng, cùng với hệ thống tự động báo cáo và cảnh báo sự cố.
- Giảm thiểu sự cố và phản ứng nhanh đối với các yêu cầu của khách hàng hay khi xảy ra sự cố;
- Giảm chi phí năng lượng nhờ tính năng quản lý tập trung, điều khiển và quản lý năng lượng;
Giảm chi phí nhân công và thời gian đào tạo nhân viên vận hành thông qua việc sử dụng mô hình quản lý trực quan và khoa học trên máy tính, giúp tiết kiệm tối đa chi phí nhân sự mà vẫn đảm bảo chất lượng công việc.
- Dễ dàng nâng cấp, linh hoạt trong việc lập trình theo nhu cầu của tổ chức và các yêu cầu mở rộng trong tương lai.
Tổng quan về các phương pháp giám sát điện năng tiêu thụ tòa nhà
1.2.1 Mục tiêu giải quyết vấn đề
Với mục tiêu xây dựng một hệ thống có khả năng giám sát được các thông số điện năng trong các tòa nhà với các tính năng:
- Giám sát được các thông số điện một cách nhanh chóng, chính xác, tốc độ truyền nhận dữ liệu nhanh chóng, cập nhật liện tục theo thời gian thực;
- Khả năng cảnh báo các sự cố về điện xảy ra và khắc phục sự cố kịp thời;
- Lưu trữ dữ liệu và xuất báo cáo theo định kì;
- Giám sát và điều khiển các thiết bị từ xa;
- Khả năng mở rộng thêm các chức năng khi áp dụng chung vào hệ thống BMS
Phương pháp giám sát điện năng phổ biến tại Việt Nam hiện nay chủ yếu là thủ công, với nhiều tòa nhà chưa áp dụng thiết bị giám sát từ xa Việc giám sát thường phụ thuộc vào kỹ thuật viên hoặc nhân viên quản lý tòa nhà, dẫn đến việc họ phải kiểm tra từng tầng hoặc khu vực để ghi nhận số liệu Quy trình này không chỉ tốn thời gian mà còn có thể gây ra sai sót, ảnh hưởng đến chất lượng công việc.
Việc giám sát thủ công như vậy sẽ gặp nhiều vấn đề:
- Vận hành thủ công bằng cách giám sát tại chỗ, việc lấy dữ liệu, đo đạc được thực hiện hoàn toàn bằng tay;
- Sai số trong đo lường, ghi số liệu nhiều dẫn đến không thể so sánh, đánh giá được chất lượng điện;
- Tốn nhiều nhân lực vận hành, kiểm tra mà chất lượng công việc không cao;
- Không đánh giá được mức độ sự cố, thời gian bảo trì bảo dưỡng thiết bị trong tòa nhà;
Hình 1.6 Giám sát điện năng bằng phương pháp thủ công Với phương pháp này, hiện nay không còn phù hợp trong các tòa nhà, khu vực lớn
Với sự phát triển quy mô ngày càng lớn, nhu cầu xử lý nhanh chóng và chính xác đã khiến phương pháp thủ công trở nên không đủ hiệu quả cho các chủ tòa nhà, đồng thời tiêu tốn nhiều nhân lực và thiếu tính linh hoạt.
1.2.3 Phương pháp giám sát điện năng bằng thiết bị thông minh (Smarthome)
Hiện nay, trên thị trường có nhiều thiết bị thông minh có khả năng giám sát được điện năng như công tơ điện (xem Hình 1.7)
Hình 1.7 Công tơ điện thông minh
Với phương pháp này, sẽ có các ưu điểm sau:
- Dễ dàng sử dụng, giám sát và điều khiển thiết bị linh hoạt;
- Lắp đặt dễ dàng, chi phí thấp;
- Giám sát được các thông số điện năng;
- Có các phần mềm hổ trợ giám sát lưu trữ dữ liệu
Tuy nhiên phương pháp giám sát điện năng bằng các thiết bị thông minh này cũng sẽ có các nhược điểm như:
- Giám sát được ít thông số điện;
- Không có khả năng cảnh báo sự cố liên quan điện khi phát sinh;
- Khả năng mở rộng khi năng cấp thiết bị thấp;
- Khả năng truyền nhận thông tin phụ thuộc vào mạng Wifi, chính vì vậy nên không thể truyền thông dữ liệu đi xa thấp;
- Không có khả năng lưu trữ dữ liệu phục vụ cho nâng cấp sau này
Phương pháp giám sát điện bằng thiết bị thông minh có những ưu điểm và nhược điểm riêng, nhưng chủ yếu phù hợp cho các hộ gia đình và tòa nhà văn phòng ít tầng.
1.2.4 Phương pháp giám sát điện năng bằng PLC S7 1200 và truyền thông Modbus TCP/IP
Phương pháp truyền thông Modbus TCP/IP, dựa trên địa chỉ IP và tương thích với nền tảng Ethernet, cho phép mở rộng kết nối với nhiều thiết bị và trạm điều khiển khác nhau Tốc độ truyền dữ liệu ổn định giúp việc điều khiển và giám sát điện năng trong tòa nhà trở nên hiệu quả và phù hợp.
Hệ thống giám sát và quản lý tập trung hoạt động liên tục 24/24, cho phép xuất báo cáo tự động theo đối tượng, thời gian và mẫu Điều này không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn giảm chi phí nhân công giám sát tại chỗ.
Quản lý điện năng hiệu quả tại bất kỳ khu vực nào và thời điểm nào là rất quan trọng Điều này giúp đưa ra các phương án điều chỉnh hợp lý và định hướng phát triển tương lai, từ đó xây dựng hệ thống truyền tải điện phù hợp với thực tế.
1.2.5 Lựa chọn phương pháp tối ưu
Từ phân tích các phương pháp tại Mục 1.2.1, 1.2.2, 1.2.3, và 1.2.4, chúng tôi nhận thấy mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng Tuy nhiên, trong bối cảnh giám sát điện cho các tòa nhà cao tầng, các phương pháp này cần đáp ứng các tiêu chí quan trọng để đảm bảo hiệu quả và an toàn.
- Giám sát được nhiều thông số điện trong tòa nhà;
- Khả năng nâng cấp cao khi cải tiến, nâng cấp thiết bị trong tòa nhà;
- Khả năng truyền nhận thông tin, dữ liệu nhanh chóng chính xác, cập nhật dữ liệu liện tục;
- Không phụ thuộc vào tốc độ mạng Ethernet;
- Tận dụng được cơ sở hạ tầng mạng hiện có trong các tòa nhà cao tầng;
- Sử dụng S7-1200 có khả năng tích hợp, phát triển với hệ thống BMS trong tòa nhà giúp giám sát nhiều tính năng cùng lúc
Giám sát điện năng bằng chuẩn truyền thông Modbus TCP/IP là giải pháp tối ưu, đáp ứng đầy đủ các mục tiêu và yêu cầu đề ra.
Chức năng và tầm quan trọng của hệ thống giám sát điện năng tòa nhà
Trong hệ thống giám sát tòa nhà BMS, hệ thống giám sát điện năng (PMS) đóng vai trò quan trọng nhất, vì nó cung cấp năng lượng cho các thành phần khác hoạt động hiệu quả.
Hệ thống giám sát điện năng đóng vai trò quan trọng trong các tòa nhà, đặc biệt là tòa nhà cao tầng, nhờ vào những chức năng đa dạng mà nó cung cấp.
- Giám sát và quản lý tập trung toàn bộ hệ thống điện sản xuất;
- Kiểm soát tần số, điện áp, dòng điện, công suất phản kháng, điện năng tiêu thụ… trực quan và chính xác;
- Chức năng cảnh báo từ hệ thống giúp tăng khả năng đáp ứng nhanh chóng, xử lý sự cố triệt để;
- Xuất báo cáo hệ thống tự động theo đối tượng, theo thời gian, theo mẫu;
- Tiết kiệm thời gian và chi phí nhân công giám sát tại chỗ;
- Giảm tối đa các sai sót so với quá trình thực hiện giám sát thủ công;
- Chủ động lên kế hoạch bảo trì, bảo dưỡng tránh thời gian chết máy;
- Đưa ra các quyết định hợp lý trong sữa chữa hoặc đầu tư mới để đạt hiệu quả tốt nhất.
Các thông số quan trọng trong giám sát điện năng tòa nhà
Để giám sát điện năng tiêu thụ trong tòa nhà, cần có các thông số thiết yếu trong hệ thống PMS cơ bản, như được trình bày trong Bảng 1.1.
Nhóm chúng tôi đã bổ sung các chức năng cảnh báo lỗi cơ bản thường gặp trong hệ thống điện, bao gồm tình trạng quá công suất và sụt áp, nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động và đảm bảo an toàn cho hệ thống.
Bảng 1.1 Các thông số cơ bản trong giám sát hệ thống PMS
Số TT Thông Số Đơn vị
3 Công suất tiêu thụ kWh
6 Hệ số công suất (Cos φ)
TỔNG QUAN VỀ PLC S7-1200, TIA PORTAL, TRUYỀN THÔNG MODBUS TCP/IP
Giới thiệu về PLC S7-1200
2.1.1 Tổng quan PLC S7-1200 2.1.1.1 Giới thiệu
PLC S7-1200, sản phẩm mới của SIEMENS ra mắt năm 2009, được thiết kế để thay thế dòng S7-200 với các module nhỏ gọn, linh hoạt và chi phí thấp, phù hợp cho nhiều ứng dụng S7-1200 sở hữu giao diện truyền thông tiêu chuẩn hoàn hảo, tích hợp đầy đủ tính năng, giúp lập trình viên dễ dàng thiết kế hệ thống một cách toàn diện Điểm nổi bật của S7-1200 là cổng truyền thông Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn, cùng với phần mềm Simatic Step 7 Basic cho lập trình PLC và màn hình giám sát HMI Những tính năng này giúp người dùng nhanh chóng và thuận tiện trong việc lập trình, thi công và thiết kế hệ thống.
2.1.1.2 Các thành phần của PLC S7-1200
Gồm 3 bộ điều khiển nhỏ gọn với sự phân loại trong các phiên bản khác nhau như điều khiển AC, DC hoặc RELAY Cấu tạo của PLC S7 1200 được trình bày hình (xem Hình 2.1)
Có 2 mạch tương tự và tín hiệu số mở rộng ngõ vào/ra trực tiếp trên CPU
Có 13 module tín hiệu số và tín hiệu tương tự khác nhau bao gồm (module SM và SB) Để giao tiếp thông qua kết nối PTP có 2 module giao tiếp RS232/RS485
Module nguồn PS 1207 ổn định, dòng điện áp cấp 115/230 VAC và điện áp 24 VDC Thứ tự theo số đánh dấu ở hình 2.1 (xem Hình 2.1):
1.Bộ phân kết nối nguồn 2.Các bộ phận kết nối dây của người dùng có thể tháo được
Khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên 3.Các led trạng thái dàng cho I/O tích hợp
4.Bộ phận kết nối PROFINET
Có cổng truyền thông Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn:
- Dùng để người lập trình có thể kết nối với máy tính và màn hình HMI hay truyền thông PLC-PLC;
- Có hỗ trợ chuẩn Ethernet mở để kết nối với các thiết bị khác;
- Với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo từ đầu nối RJ45;
- Tốc độ truyền cao 10/100 Mbits/s;
- Hỗ trợ lên đến 16 kết nối ethernet TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol
Cùng với đó là các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình:
- Có 6 bộ đếm tốc độ cao (high speed counter) dùng trên các ứng dụng đếm và đo lường, trong đó có 3 bộ đếm 100kHz và 3 bộ đếm 30kHz;
- Để điều khiển tốc độ,vị trí động cơ bước hay bộ lái servo (servo drive) sử dụng
- Điều khiển tốc độ động cơ, vị trí valve, hay điều khiển nhiệt độ… sử dụng ngõ ra điều chế độ rộng xung PWM;
- Các tính năng tự động xác định thông số điểu khiển (auto-tune functionality) với
- Board tín hiệu mở rộng (signal board), giúp mở rộng tín hiệu vào/ra gắn trực tiếp;
- phía trước CPU, mở rộng tín hiệu vào/ra mà không thay đổi kích thước hệ điều khiển;
- Mỗi CPU có thể kết nối lên đến 8 module mở rộng tín hiệu vào/ra;
- Ngõ vào analog 0-10V được tích hợp trên CPU;
- Có 3 module truyền thông có thể kết nối vào CPU nhằm mở rộng khả năng truyền thông, vd module RS232 hay RS485;
- Card nhớ SIMATIC, dùng khi cần rộng bộ nhớ CPU, copy chương trình ứng dụng khi cập nhật firmware;
- Có khả năng chẩn đoán lỗi online / offline
2.1.1.4 Lập trình Để lập trình cho dòng S7-1200 ta có thể sử dụng Step 7 Basic
Có 3 loại ngôn ngữ được Step7 Basic để lập trình là LAD, SCL, FBD
Phần mềm được tích hợp trong TIA Portal của Siemens với nhiều version ngày càng có nhiều tính năng tiện ích hơn
PLC S7-1200 hỗ trợ kết nối Profibus và kết nối PTP (point to point) (xem Hình 2.2) Giao tiếp PROFINET với:
- Các thiết bị lập trình;
- Các bộ điều khiển SIMATIC khác
Hỗ trợ các giao thức kết nối:
Hình 2.2 Cấu hình giao tiếp PLC S7-1200
2.1.1.6 Ứng dụng của PLC Siemens S7 – 1200:
PLC Siemens S7 - 1200 được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng như:
- Điều khiển trong các hệ thống tự động;
- Điều khiển đèn chiếu sáng;
- Điều khiển bơm cao áp;
- Máy in, máy dệt, máy trộn v.v…
Phần mềm TIA PORTAL
2.2.1 Tổng quan về phần mềm 2.2.1.1 Giới thiệu
TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) là phần mềm tích hợp nhiều công cụ điều hành thiết bị và quản lý tự động hóa trong hệ thống điện Đây là phần mềm tiên phong trong lĩnh vực tự động hóa, cho phép thực hiện các tác vụ và điều khiển hệ thống trên cùng một nền tảng.
Vào năm 1996, phần mềm TIA PORTAL được phát triển bởi các kỹ sư của Siemens, cho phép người dùng lập trình và phát triển phần mềm quản lý một cách thuận tiện trên một nền tảng thống nhất Việc tích hợp các ứng dụng riêng biệt giúp giảm thiểu thời gian và tạo ra một hệ thống đồng bộ hiệu quả.
TIA Portal là phần mềm nền tảng cho tất cả các phần mềm phát triển khác, bao gồm lập trình và tích hợp cấu hình thiết bị trong dải sản phẩm Đặc điểm nổi bật của TIA Portal là khả năng cho phép các phần mềm chia sẻ cùng một cơ sở dữ liệu, từ đó tạo ra tính thống nhất và toàn vẹn cho hệ thống ứng dụng quản lý và vận hành.
2.2.1.2 Các thành phần trong bộ cài TIA PORTAL
Phần mềm được hãng Siemens phát triển nhằm mục đích giúp người dùng có thể quản lí, lập trình PLC, HMI một cách hiệu quả
Tổng quan các thành phần của bộ cài phần mềm sẽ được thể hiện ở hình 2.3 (xem Hình 2.3)
Hình 2.3 Các thành phần của bộ cài phần mềm TIA PORTAL
Lập trình basic các dòng S7 300/400 1200/1500… cho tới cấu hình mạng hệ thống
Thiết lập giao diện HMI, giao diện giám sát WinCC: gồm phần thiết kế và chạy mô phỏng trên WinCC runtime
Cấu hình và giám sát các Sinamics Drives trở nên dễ dàng với SCOUT TIA, cho phép điều khiển truyền động đơn trục hoặc đa trục Thư viện PID linh hoạt và thư viện Simatic Robot đầy đủ hỗ trợ người dùng thiết kế, cấu hình và cài đặt hệ thống một cách nhanh chóng và hiệu quả.
Sirius và Simocode: cấu hình và chẩn lỗi linh hoạt
Quản lý hệ thống phân phối điện toàn diện
2.2.2 Phần mềm thiết kế giao diện Web Server – Node Red
Node-RED là công cụ lập trình kéo-thả mạnh mẽ, hoạt động trên nền tảng Node JS, cho phép kết nối linh hoạt giữa các thiết bị phần cứng và dịch vụ trực tuyến thông qua API Với trình soạn thảo dựa trên trình duyệt, người dùng dễ dàng tạo ra các luồng kết nối bằng cách sử dụng nhiều Node có sẵn trong bảng màu, chỉ với một cú nhấp chuột Node-RED tương thích với nhiều chuẩn truyền thông mạng và thiết bị, giúp tối ưu hóa quá trình giao tiếp Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu sử dụng PLC S7-1200 để giao tiếp với Node-RED qua chuẩn S7 Communication – S7 Protocol, nhằm thiết lập Node-RED làm Web Server phục vụ cho việc giám sát điện năng trong tòa nhà.
Node-RED là công cụ thân thiện với người dùng, tương thích với nhiều ngôn ngữ lập trình, đặc biệt phù hợp với thời đại IoT hiện nay Nó luôn là lựa chọn hàng đầu cho các dự án IoT nhờ vào lợi ích lớn là miễn phí và dễ sử dụng Giao diện của Node-RED bao gồm các thành phần đa dạng, như được thể hiện trong Hình 2.4.
Hình 2.4 Giao diện thiết kế trên Node red Cửa sổ soạn thảo gồm 4 thành phần chính:
- Header: ở trên, chứa nút Deploy, menu chính;
- Palette: bên trái, chứa các nút có sẵn để sử dụng;
- Workspace: ở giữa, nơi các luồng được tạo;
Các chuẩn giao thức
2.3.1 Giao thức Modbus TCP/IP 2.3.1.1 Tổng quan về Mobus TCP/IP
Trong ngành công nghiệp hiện nay, mạng truyền thông công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và giám sát hoạt động tại các nhà máy, xí nghiệp, góp phần nâng cao chất lượng sản xuất Để đáp ứng nhu cầu này, nhiều giao thức mạng như Modbus, Profinet, Profibus và Ethernet đã được áp dụng Trong số đó, giao thức Modbus còn được chia thành các chuẩn khác nhau như Modbus RTU, Modbus ASCII và Modbus TCP.
Modbus - TCP/IP là giao thức Modbus hoạt động ở lớp ứng dụng, cho phép dữ liệu được đóng gói và định tuyến qua địa chỉ IP của từng thiết bị Giao thức này đảm bảo rằng dữ liệu được truyền nhận chính xác đến đúng địa chỉ, giúp tối ưu hóa quá trình truyền thông giữa các thiết bị.
Modbus-TCP/IP là giao thức Modbus hoạt động trên mạng Ethernet, cho phép truyền thông trong các mô hình TCP/IP Được công nhận bởi tổ chức Modbus-IDA, Modbus-TCP được xem là một mạng Ethernet công nghiệp hiện đại.
Hình 2.5 Mô hình sử dụng truyền thông Mobus TCP/IP
Mô hình truyền thông Modbus TCP/IP hoạt động theo cấu trúc Master - Slave, trong đó mỗi thiết bị, như cảm biến áp suất hay nhiệt độ, được gán một địa chỉ duy nhất Khi Master gửi dữ liệu đến các Slave, khung truyền sẽ bao gồm ID định danh của thiết bị Slave, đảm bảo việc giao tiếp chính xác và hiệu quả.
Cấu trúc gói dữ liệu Modbus TCP/IP có chút khác biệt so với cấu trúc gói dữ liệu Modbus RTU (xem Hình 2.6)
The Address section in Modbus RTU features a server address byte, while the MBAP (Modbus Application Protocol) header consists of 7 bytes in Modbus TCP/IP.
Check Sum: Modbus RTU có 2 bytes CRC để kiểm tra lỗi của dữ liệu Với Modbus TCP/IP, sẽ không có phần CRC
Phần PDU: Đối với gói PDU, không có sự khác biệt giữa Modbus TCP/IP và Modbus RTU
Hình 2.6 Cấu trúc tin nhắn Modbus TCP/IP
Modbus TCP/IP là một giao thức truyền thông sử dụng mô hình Server-Client, tương tự như các loại Modbus khác Tuy nhiên, nó được triển khai trên nền tảng Ethernet và sử dụng bộ giao thức TCP trên nền IP, giúp cải thiện hiệu suất và khả năng kết nối.
Modbus TCP đã cách mạng hóa khái niệm truyền thống về mô hình Server-Client nhờ vào khả năng giao tiếp ngang hàng qua Ethernet Trong mạng TCP, các thiết bị Slave có thể chủ động gửi thông tin đến các thiết bị quản lý trung tâm, tức là Server.
Trên các mạng TCP/ IP hiện đại, Modbus TCP/IP được sử dụng với 2 loại triển khai Modbus TCP:
- Modbus RTU qua TCP, đơn giản chỉ là sử dụng TCP làm lớp vận chuyển cho các thông điệp RTU;
- Modbus TCP bình thường và có một số thay đổi trong định dạng tin nhắn
Vì được truyền trên nền TCP/IP do đó tốc độ truyền của Modbus TCP/IP cao, đáp ứng realtime Cao hơn hẳn Modbus RTU
2.3.2 Giao thức Ethernet 2.3.2.1 Tổng quan về Ethernet trong công nghiệp
Ethernet là tiêu chuẩn giao tiếp ra đời vào đầu những năm 80, cho phép kết nối các máy tính và thiết bị trong mạng LAN cục bộ Nó định dạng và truyền các gói dữ liệu, giúp các thiết bị trên cùng mạng phát hiện, nhận và xử lý thông tin Để giao thức Ethernet hoạt động, cần có hệ thống cáp Ethernet, một loại cáp mạng đặc biệt dùng để kết nối thiết bị với mạng và truyền dữ liệu Cáp Ethernet thường được cắm vào bộ định tuyến, modem hoặc bộ chuyển mạng qua cổng ethernet.
2.3.2.2 Cấu trúc và cách thức hoạt động của Ethernet
Giao thức này quy định lớp vật lý và điều khiển truy cập phương tiện trong lớp liên kết dữ liệu của internet có dây Hai lớp này là hai lớp đầu tiên trong mô hình OSI, mô hình tham chiếu cho các hệ thống mở.
Lớp vật lý bao gồm 2 thành phần:
Cáp mạng bao gồm các loại như cáp xoắn đôi, cáp quang và cáp đồng trục Trong đó, cáp xoắn đôi là phổ biến nhất, đặc biệt là loại mới CAT 6, có tốc độ truyền đạt lên đến 1Gbps, cùng với các phiên bản nâng cấp như CAT 6a.
- Thiết bị (Device) là máy tính, máy in hay bất kì loại thiết bị nào có card mạng; Lớp liên kết dữ liệu được chia làm 2 phần đó là:
- Điều khiển liên kết logic (Logical Link Control-LLC): thiết lập các đường truyền dẫn cho dữ liệu trên Ethernet để truyền giữa các thiết bị;
Điều khiển truy cập phương tiện (MAC) là một phương pháp sử dụng địa chỉ phần cứng gắn trên card mạng để xác định thiết bị nguồn và đích trong quá trình truyền dữ liệu.
Hoạt động của các thiết bị truyền thông dựa trên địa chỉ IP, yêu cầu xác định địa chỉ của cả thiết bị phát và thiết bị nhận Các địa chỉ này thường được biểu diễn dưới dạng số thập phân và phân lớp.
Ethernet hoạt động trong lớp liên kết dữ liệu bằng cách sử dụng thuật toán CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) Khi một thiết bị muốn truyền tin, nó phải lắng nghe để xác định xem đường truyền có đang được sử dụng hay không Nếu đường truyền rảnh, thiết bị sẽ tiến hành truyền dữ liệu Trong suốt quá trình truyền tải, thiết bị sẽ liên tục lắng nghe để nhận biết có sự va chạm với dữ liệu từ các thiết bị khác hay không Ưu điểm của phương pháp này là khả năng tối ưu hóa việc sử dụng băng thông và giảm thiểu xung đột trong mạng.
Kết nối ethernet cung cấp tốc độ vượt trội so với kết nối không dây, cho phép người dùng đạt được tốc độ lên đến 10Gbps, đặc biệt với các cặp xoắn mới nhất, và một số loại có thể đạt tới 100Gbps.
Mạng Ethernet cung cấp tính bảo mật cao, cho phép người dùng kiểm soát ai có quyền truy cập vào mạng Điều này làm cho việc đánh cắp thông tin từ những kẻ tin tặc trở nên khó khăn hơn.
- Độ tin cậy cao bởi lẽ không có sự gián đoạn từ các tần số vô tuyến và các thiết bị ít bị ngắt khi hoạt động
- Tính linh hoạt: bị hạn chế trong việc di chuyển vùng tự do khi sử dụng Ethernet, thiết bị phải đặt cố định tại nơi cụ thể;
- Khả năng mở rộng mạng lưới sẽ tốn thêm chi phí và thời gian;
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
Sơ đồ tổng thể hệ thống
Mục tiêu của đề tài là thiết kế một hệ thống giám sát SCADA nhằm thu thập dữ liệu điện năng và thực hiện giám sát, điều khiển hệ thống điện của tòa nhà Hệ thống cho phép người dùng theo dõi trực tiếp trên màn hình SCADA tại trung tâm điều hành hoặc qua giao diện Web Server sử dụng nền tảng API mở Node Red Chỉ cần ngồi tại phòng giám sát hoặc đối với các chủ tòa nhà, việc theo dõi sản lượng tiêu thụ và chất lượng điện năng trở nên dễ dàng thông qua Web Server với kết nối ethernet.
Nhóm đã phát triển một hệ thống dựa trên mô hình điều khiển phân tán, kết hợp ứng dụng IoT trong tòa nhà, như thể hiện trong Hình 3.1.
Hình 3.1 Sơ đồ tổng thể hệ thống
Hệ thống được chia thành hai phần chính: một phần gồm các thiết bị đầu cuối để thu thập dữ liệu cảm biến, điều khiển cơ cấu chấp hành và truyền thông trong hệ thống; phần còn lại là Cloud cùng các ứng dụng hỗ trợ giám sát trên web server.
Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống Chức năng từng khối:
Khối nguồn đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống, bao gồm khối xử lý trung tâm, khối cảm biến và hiển thị, cũng như khối cơ cấu chấp hành.
Khối điều khiển trung tâm đóng vai trò quan trọng trong hệ thống, chịu trách nhiệm giao tiếp giữa các thành phần khác nhau Nó thu thập dữ liệu từ các cảm biến và truyền tải thông tin lên giao diện Web Server Đồng thời, khối này cũng thực hiện việc truyền nhận dữ liệu giữa các PLC và cung cấp thông tin giám sát cho hệ thống SCADA.
Web Server đóng vai trò quan trọng trong việc hiển thị giao diện người dùng, xây dựng các điều khiển và lưu trữ giá trị để đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống cũng như các chức năng điều khiển thiết bị.
- SCADA: Là nơi để thu thập dữ liệu, lưu trữ và giám sát trạng thái để từ đó có thể điều khiển và khắc phục khi có sự cố;
- Khối cảm biến: bao gồm các cảm biến có nhiệm vụ thu thập các thông số điện
- Khối hiển thị: Hiển thị các thông số thu thập được tại các node;
Khối điều khiển (PLC) nhận dữ liệu từ khối điều khiển trung tâm và điều khiển các cấu chấp hành để thực hiện các yêu cầu như đóng cắt nguồn và bật tắt đèn một cách chính xác.
Khối cơ cấu chấp hành bao gồm các thiết bị giúp điều chỉnh các thông số và cơ cấu của nông trại, đảm bảo duy trì điều kiện tối ưu cho sự phát triển của cây trồng.
- Router :Tiếp nhận dữ liệu từ bộ xử lí trung tâm để gửi lên Web server
3.1.3 Mô hình tổng quan hệ thống
Hình 3.3 Bảng vẽ tổng quát hệ thống
Hệ thống gồm 3 trạm (xem Hình 3.3):
- Trạm Server là trạm được bố trí trên cùng có nhiệm vụ điều khiển và thu thập dữ liệu từ các trạm Client;
Trạm Client bao gồm hai thiết bị được đặt dưới trạm Server, có nhiệm vụ chính là thu thập dữ liệu điện năng từ khu vực giám sát và gửi về Server Mỗi trạm Client được trang bị màn hình LCD để hiển thị tất cả các thông số điện tại khu vực đó Các trạm hoạt động độc lập, đảm bảo rằng khi có sự cố xảy ra, các trạm khác vẫn tiếp tục hoạt động bình thường.
Các thiết bị trong hệ thống
Trong chương 2, nhóm chúng tôi đã giới thiệu tổng quan về PLC Siemens S7 1200 Mục tiêu của phần này là giải thích lý do tại sao PLC S7 1200 được lựa chọn làm thiết bị điều khiển và xử lý chính trong hệ thống.
Với sự phát triển của công nghệ 4.0, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa, câu hỏi quan trọng đặt ra là thời điểm nào là thích hợp để sử dụng RTU hay PLC Cả PLC và RTU đều là thiết bị điện tử với chức năng tương tự nhau, tuy nhiên, mỗi loại có những ưu và nhược điểm riêng Hình 3.4 sẽ giúp so sánh chi tiết các tính năng của hai thiết bị này.
Hình 3.4 So sánh PLC và RTU
RTU, viết tắt của Remote Terminal Units, là thiết bị điện tử điều khiển bằng bộ vi xử lý tương tự như bộ lập trình PLC Chúng còn được gọi là thiết bị từ xa, đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát và điều khiển hệ thống từ xa.
RTU là lựa chọn tối ưu cho các ứng dụng ở khoảng cách xa, đặc biệt trong lĩnh vực nông nghiệp, nhờ vào khả năng giao tiếp không dây Hệ thống RTU cũng rất phù hợp cho các cấu trúc điều khiển phức tạp.
RTU (Remote Terminal Unit) được xem là có khả năng chịu đựng môi trường khắc nghiệt, mang lại lợi thế lớn cho các ứng dụng Thiết bị này được sử dụng phổ biến trong những điều kiện nhiệt độ cực đoan và ở những vị trí xa xôi như dưới lòng đất, trên đảo, trên đỉnh núi, và trong các giàn khoan dầu ngoài khơi.
PLC là giải pháp tối ưu cho việc điều khiển cục bộ, đặc biệt trong các ứng dụng như dây chuyền lắp ráp tại nhà máy, hệ thống điện trong tòa nhà, cũng như các hệ thống chiếu sáng và giải trí.
PLC được thiết kế đặc biệt để quản lý và điều khiển nhiều đầu vào và đầu ra Chúng có khả năng chống rung, chống ồn điện và chống va đập, đồng thời hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện nhiệt độ khác nhau.
PLC có vai trò quan trọng trong việc điều khiển quá trình và chuyển tiếp, cũng như kết nối mạng Hiện nay, PLC đã được tích hợp với máy tính để nâng cao khả năng lưu trữ, xử lý, giao tiếp và quản lý dữ liệu hiệu quả hơn.
Cả PLC và RTU đều có chức năng tương tự nhau và sở hữu những ưu điểm riêng Tuy nhiên, trong hệ thống giám sát điện năng cho tòa nhà, việc sử dụng PLC để lập trình và xử lý là lựa chọn hợp lý.
PLC có khả năng thu thập và xử lý tín hiệu hiệu quả để điều khiển trong các khu vực như tòa nhà hoặc nhà xưởng, đảm bảo chất lượng truyền dữ liệu ổn định.
Hiện nay, việc sử dụng PLC trong các hệ thống điều khiển tòa nhà và nhà xưởng ngày càng trở nên phổ biến Dựa trên nền tảng này, chúng ta có thể tận dụng các cơ sở kỹ thuật hiện có để thiết kế hệ thống, từ đó đảm bảo chất lượng và tối ưu hóa chi phí.
3.2.2 Vi điều khiển Arduino Uno
Arduino là một nền tảng mã nguồn mở cả về phần mềm lẫn phần cứng, được phát triển tại Ý Phần cứng Arduino sử dụng vi xử lý AVR Atmel 8-bit hoặc ARM Atmel 32-bit, bao gồm một board mạch nguồn mở với 1 cổng USB, 6 chân đầu vào analog và 14 chân I/O kỹ thuật số Trong những năm qua, Arduino đã trở thành bộ não cho hàng ngàn dự án điện tử, từ những ứng dụng đơn giản đến các dự án khoa học phức tạp Nền tảng này cũng đã thúc đẩy nhiều chuyên gia và lập trình viên xây dựng thư viện mã nguồn mở, hỗ trợ người mới, đặc biệt là sinh viên, trong việc khám phá và học hỏi về điện tử.
Trên thị trường hiện nay có nhiều phiên bản Arduino như Arduino Uno R3, Arduino Mega2560 và Arduino Nano Trong bài viết này, chúng tôi sử dụng vi điều khiển Arduino Uno để đọc giá trị từ cảm biến đo điện năng PZEM-004T và thực hiện giao tiếp với PLC S7.
Kit Arduino Uno có tổng 20 chân đầu vào và đầu ra Digital Trong số đó, có 6 chân đầu ra PWM Ngoài ra có 6 chân đầu vào Analog
Mạch kit Arduino Uno được trang bị bộ cộng hưởng 16 MHz, kết nối USB, giắc cắm nguồn, tiêu đề lập trình hệ thống trong mạch (ICSP) và một nút reset.
Vi điều khiển Arduino Mạch kit này nổi bật với ATmega16U2, được lập trình như một bộ chuyển đổi USB-to-serial Điều này cho phép người dùng dễ dàng thực hiện lập trình nâng cao nhờ vào bộ nạp khởi động USB riêng, mang lại sự thuận tiện trong quá trình thao tác lập trình.
Sơ đồ nối dây
Để hiểu rõ hơn về hệ thống trong đề tài này, chúng tôi sẽ cung cấp các bản vẽ chi tiết thể hiện từng kết nối giữa các thiết bị, module và cảm biến của nhóm.
3.3.1 Sơ đồ nối dây của Aduino với module cảm biến dòng PZEM 004T
Sơ đồ nối dây của Arduino Uno R3 với module cảm biến dòng PZEM 004T được trình bày trong Mục 2.3.3, liên quan đến chuẩn truyền thông UART Đối với module cảm biến dòng, hai chân Tx và Rx sẽ được kết nối theo bảng hướng dẫn cụ thể.
Bảng 4.1 Sơ đồ nối dây Arduino với module cảm biến dòng
Aduino Uno R3 Module cảm biến dòng PZEM
Bảng tương ứng thứ tự chân kết nối Arduino với module cảm biến dòng
Hình 3.15 Sơ đồ kết Arduino và module Pzem 004T
3.3.2 Sơ đồ nối dây của Arduino với Module Ethernet ENJ28J60
Để thực hiện truyền thông Modbus TCP/IP giữa Arduino Uno R3 và PLC S7-1200, việc sử dụng module Ethernet là bắt buộc Bảng kết nối chân tương ứng giữa Arduino và module Ethernet được trình bày rõ ràng, cùng với sơ đồ kết nối chi tiết trong Hình 3.16.
Bảng 4.2 Sơ đồ chân kết nối của Aduino với Module Ethernet
Bảng tương ứng thứ tự chân trên Arduino và Module Ethernet
Sau khi hoàn tất việc kết nối phần cứng giữa Arduino và Ethernet ENC28J60, cần tiến hành khởi tạo địa chỉ MAC và địa chỉ IP trong phần mềm để đảm bảo khả năng truyền thông với PLC Bước khởi tạo này được minh họa trong Hình 3.17.
Hình 3.17 Khởi tạo địa chỉ MAC và IP trên IDE
3.3.3 Sơ đồ bố trí các thiết bị trong các trạm Client
Mỗi trạm Client bao gồm nhiều thiết bị kết nối, chủ yếu gồm hai phần chính: Arduino để đọc tín hiệu từ cảm biến và PLC Client để xử lý tín hiệu chung Các linh kiện và thiết bị khác chủ yếu kết nối trực tiếp với trung tâm của trạm Client, tức là PLC Sơ đồ kết nối được trình bày trong Hình 3.18.
Hình 3 18 Sơ đồ nối dây trên trạm Client
3.3.4 Sơ đồ đi dây của toàn bộ hệ thống Đối với mô hình này, nhóm chúng tôi sử dụng hai trạm Client để thu thập dữ liệu và một trạm Server để nhận dư liệu từ hai Client và phản hồi trở lại theo thuật toán đã được lập trình sẵn trên PLC Server.Do đó, sơ đồ đi dây toàn bộ hệ thống sẽ được trình bày theo hai bản vẽ bao gồm: bản vẽ sơ đồ đi dây động lực và sơ đồ di dây mạch điều khiển
Bản vẽ động lực cung cấp thông tin chi tiết về sơ đồ đi dây nguồn cho các thiết bị trong hệ thống Trong nghiên cứu này, nhóm đã áp dụng 3 mức nguồn cấp nhằm đảm bảo hoạt động ổn định cho toàn bộ hệ thống (xem Hình 3.19).
PLC Client 1 sử dụng nguồn 220 V AC, được cấp trực tiếp vào phía sau Aptomat Nguồn này được tách riêng khỏi nguồn động lực nhằm đảm bảo an toàn cho thiết bị điều khiển trong trường hợp xảy ra sự cố.
Sơ đồ mạch điều khiển hiển thị các kết nối giữa PLC Client và các thiết bị, bao gồm Input và Output là các cơ cấu chấp hành Qua sơ đồ đi dây, chúng ta có thể thấy rõ ràng các kết nối giữa các thiết bị đầu vào/ra và PLC Server cùng với PLC Client.
Mỗi PLC đảm nhiệm một chức năng riêng biệt, do đó sơ đồ đấu nối dây đầu vào và đầu ra của chúng cũng có sự khác nhau Hình 3.19 trình bày sơ đồ các khối nguồn cấp, minh họa sự đa dạng trong cách kết nối của các PLC.
Hình 3.20 Sơ đồ đi dây mạch điều khiển
LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
Bảng phân công đầu vào, đầu ra
4.1.1 Bảng phân công đầu vào đầu ra hai trạm Client
Hai trạm Client được bố trí giống nhau, dẫn đến bảng phân công đầu vào và đầu ra cũng tương tự Tuy nhiên, cả hai trạm vẫn hoạt động độc lập và không bị ảnh hưởng khi một trạm gặp sự cố Dưới đây là hai bảng phân công vào/ra tại hai trạm Client (tham khảo Bảng 4.3 và Bảng 4.4).
Bảng 4.3 Bảng phân công ngõ ra, ngõ vào của trạm Client 1
Tên Kiểu dữ liệu Địa chỉ Mô tả
Ngõ vào PLC trạm Client 1
START Bool I0.1 Nút nhấn bắt đầu tại client 1
START_SIMUL_ERROR Bool I0.0 Nút nhấn mô phỏng lỗi
Ngõ ra PLC trạm Client 1
ON_SUT_AP Bool Q0.0 Đèn báo lỗi sụt áp
ON_WARNING_OVER_P Bool Q0.1 Đèn báo lỗi quá công suất
TT_BinhThuong Bool Q0.2 Đèn báo trạng thái bình thường
LED_KV1_T1 Bool Q0.3 Đèn khu vực 1 của client 1
LED_KV2_T1 Bool Q0.4 Đèn khu vực 2 của client 1
Bảng 4.4 Bảng phân công đầu vào và đầu ra trạm Client 2
Tên Kiểu dữ liệu Địa chỉ Mô tả
Ngõ vào PLC trạm Client 2
START Bool I0.1 Nút nhấn bắt đầu tại client 1
START_SIMUL_ERROR Bool I0.0 Nút nhấn mô phỏng lỗi
Ngõ ra PLC trạm Client 2
ON_SUT_AP Bool Q0.0 Đèn báo lỗi sụt áp
ON_WARNING_OVER_P Bool Q0.1 Đèn báo lỗi quá công suất
TT_BinhThuong Bool Q0.2 Đèn báo trạng thái bình thường
LED_KV1_T1 Bool Q0.3 Đèn khu vực 1 của client 2
LED_KV2_T1 Bool Q0.4 Đèn khu vực 2 của client 2
4.1.2 Bảng phân công đầu vào và đầu ra trạm Server Đối với PLC Server bảng phân công đầu vào và đầu ra sẽ bao gồm các đầu vào I, các vùng nhớ trung gian và các đầu ra Q (xem Bảng 4.5) Các đầu vào và đầu ra hoạt động dưới thuật toán đã được lập trình sẵn
Bảng 4.5 Bảng phân công ngõ ra và ngõ vào của PLC Server
Tên Kiểu dữ liệu Địa chỉ Mô tả
Ngõ ra PLC trạm Server
RELAY_1 Bool Q0.2 Bật tắt nguồn trạm Client 1
RELAY 2 Bool Q0.3 Bật tắt nguồn trạm Client 2
BU_SUT_AP_T1 Bool Q0.4 Bộ bù điện áp trạm Client 1
BU_SUT_AP_T2 Bool Q0.5 Bộ bù điện áp trạm Client 2
Lưu đồ thuật toán hệ thống
Chức năng của hệ thống hoạt động bao gồm:
Hệ thống cho phép người dùng theo dõi các thông số điện năng như điện áp, dòng điện, công suất tức thời, công suất tiêu thụ và tần số thông qua màn hình giám sát trung tâm SCADA và giao diện Web Server.
- Người dùng có thể tự động bật tắt các thiết bị từ xa thông qua Web;
- Tận dụng được sở hạ tầng ethernet sẵn có trong các tòa nhà để truyền thông bằng PLC/RTU;
- Theo dõi, cảnh báo được tình trạng, chất lượng của hệ thống điện trong tòa nhà;
Hệ thống có khả năng mở rộng lên đến hàng trăm trạm Client, phục vụ hiệu quả cho từng khu vực cụ thể trong tòa nhà Việc nâng cấp, mở rộng và cải tiến hệ thống trở nên dễ dàng, đáp ứng linh hoạt nhu cầu sử dụng.
4.2.1.1 Lưu đồ thuật toán trên PLC Server
Hệ thống giám sát điện năng của nhóm bao gồm hai chức năng chính: ghi dữ liệu và nhận dữ liệu, như thể hiện trong Hình 4.1 Để xác định quá trình mà PLC Server sẽ thực hiện, cần có phương pháp định danh từng quá trình Nhóm đã sử dụng cách gán giá trị để định danh, thực hiện nhận dữ liệu khi tín hiệu clock đạt 0.5ms ở cạnh lên, và gửi dữ liệu khi clock đạt 0.5ms ở cạnh xuống.
- PLC Server khởi tạo hàm nhận dữ liệu TRCV_C và vùng nhớ phục vụ cho quá trình lưu dữ liệu khi nhận;
Để phân biệt các PLC Client gửi dữ liệu lên, PLC Server cần kiểm tra lớp thứ 4 của địa chỉ IP (IP_OCTET_4) Mỗi PLC Client có một địa chỉ IP duy nhất, giúp định danh chúng với nhau Nhóm nghiên cứu đã sử dụng kiểm tra lớp thứ 4 với điều kiện IP_OCTET_4 = 5, như thể hiện trong điều kiện 2 nhánh nhận dữ liệu (Hình 4.1), với địa chỉ IP của PLC Client 1 là 192.168.0.5 và PLC Client 2 là 192.168.0.4.
Sau khi PLC Client gửi yêu cầu dữ liệu, PLC Server sẽ phản hồi bằng cách kích hoạt chân Connect lên 1, cho phép ghi dữ liệu xuống PLC Client.
PLC Server kiểm tra địa chỉ ghi dữ liệu; nếu địa chỉ đúng với thiết lập trước, quá trình nhận dữ liệu sẽ diễn ra Nếu sai, quá trình kiểm tra sẽ lặp lại cho đến khi địa chỉ thỏa mãn quy định.
Để xác nhận việc nhận dữ liệu thành công, PLC Server sẽ kiểm tra kích thước dữ liệu trong từng vùng nhớ của data block Nếu kích thước dữ liệu nhận được bằng với kích thước vùng dữ liệu trỏ vào, quá trình tiếp nhận sẽ được coi là thành công Ngược lại, nếu không khớp, quá trình nhận dữ liệu sẽ tiếp tục cho đến khi tất cả các vùng nhớ của datablock được điền đầy đủ, với điều kiện địa chỉ cuối của vùng nhớ DB8 khác 0, lúc đó quá trình nhận sẽ hoàn thành.
- Cuối cùng là phản hồi thành công;
- Quá trình nhận dữ liệu từ hai PLC Client đều giống nhau vì vậy nhóm chỉ giải thích một nhánh của PLC Client 1
Quá trình gửi dữ liệu:
- Ta có thể thấy ở hình 4.1 (xem Hình 4.1) khi xung cạnh xuống clock 0.5s đóng thì quá trình gửi/truyền dữ liệu xuống PLC Client diễn ra;
- Trước tiên hàm ghi dữ liệu được khởi tạo TSEND_C (Xem Hình 4.11);
- Sau khi khởi tạo thành công hàm gửi, PLC Server cập nhật lại dữ liệu gửi đi hay có thể nói là chuẩn bị gói tin;
PLC Server kiểm tra PLC Client nhận dữ liệu qua lớp thứ 4 IP_OCTET_4 Nếu IP_OCTET_4 bằng 4, dữ liệu sẽ được ghi trên PLC Client 2; ngược lại, quá trình ghi sẽ diễn ra trên PLC Client 1.
- Sau khi xác định được PLC nào nhận dữ liệu, PLC Server gửi yêu cầu xác nhận yêu cầu ghi dữ liệu cho PLC Client;
- Nếu PLC Client phản hồi chấp nhận nhận dữ liệu thì quá trình ghi dữ liệu diễn ra;
- Sau khi nhận được dữ liệu, PLC Client tiến hành thực thi yêu cầu từ PLC Server như điều khiển các cơ cấu chấp hành phía sau;
- Về quá trình nhận dữ liệu từ PLC Server đều giống nhau cả trên 2 PLC Client
Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán trên PLC Server
4.2.1.2 Lưu đồ thuật toán trên PLC Client
Hình 4.2 Lưu đồ thuât toán trên trạm Client Hình 4.2 là lưu đồ thuật toán trên mỗi trạm client Mỗi trạm client thực hiện 3 chức năng chính:
- Đọc dữ liệu từ Arduino;
- Gửi dữ liệu lên PLC Server;
- Nhận dữ liệu từ PLC Server điều khiển cơ cấu chấp hành
Ban đầu, PLC Client khởi tạo hàm truyền thông Modbus, hàm này có chức năng thiết lập kết nối giữa PLC với Arduino thông qua địa chỉ IP
Sau khi thiết lập thành công, PLC Client sẽ nhận dữ liệu từ Arduino, và dữ liệu này sẽ được xử lý qua chương trình con kiểm tra lỗi (xem Hình 4.5).
Sau khi chương trình con kiểm tra lỗi hoàn tất, PLC Client sẽ xác nhận xem có yêu cầu nhận dữ liệu từ PLC Server hay không Nếu có yêu cầu, quá trình nhận dữ liệu sẽ được ưu tiên thực hiện trước Ngược lại, nếu không có yêu cầu nhận, quá trình ghi dữ liệu lên PLC Server sẽ diễn ra để tránh làm trì hoãn dữ liệu.
4.2.1.3 Lưu đồ thuật toán chương trình con gửi dữ liệu từ PLC Client lên PLC Server
Chương trình con gửi dữ liệu yêu cầu PLC Client kết nối với PLC Server qua địa chỉ IP đã được thiết lập trong hàm TSEND_C Khi kết nối thành công, dữ liệu sẽ được ghi vào địa chỉ quy định, và sau đó quá trình gửi dữ liệu sẽ diễn ra.
4.2.1.4 Lưu đồ thuật toán chương trình con nhận dữ liệu từ PLC Server
Chương trình con thực hiện quá trình nhận dữ liệu từ PLC Client bằng cách đọc địa chỉ Sau khi hoàn tất việc đọc địa chỉ, chương trình sẽ kiểm tra kích thước dữ liệu; nếu kích thước dữ liệu khớp với kích thước địa chỉ lưu trữ, quá trình đọc dữ liệu sẽ được tiến hành.
4.2.1.5 Lưu đồ thuật toán kiểm tra lỗi
Nhóm chúng tôi thực hiện kiểm tra và cảnh báo lỗi trên hai trạm Client chính, với lưu đồ thuật toán tương tự cho cả hai (xem Hình 4.5) Đồ án mô phỏng hai sự cố thường gặp trên PLC Client, bao gồm sự cố sụt áp và sự cố quá công suất.
Khi M0.0 = 1, sự cố sụt áp xảy ra PLC Server sẽ khởi tạo biến nhớ và chức năng đọc tín hiệu điện áp analog trên từng trạm Client Sau khi đọc giá trị analog, ta có thể xác định giá trị điện áp hiện tại (U_ht).
Chương trình so sánh giá trị điện áp hiện tại với giá trị điện áp cho phép (U_cp) Khi U_ht nhỏ hơn U_cp, sự cố sụt áp sẽ xảy ra, đồng thời các đèn cảnh báo trạng thái lỗi sẽ bật lên và thông tin sự cố sẽ được gửi đến màn hình giám sát SCADA.
Chương trình điều khiển
4.3.1 Arduino đọc tín hiệu từ module cảm biến dòng PZEM 004T
Chương trình điều khiển đọc tín hiệu từ cảm biến dòng sử dụng Arduino IDE, với giao tiếp giữa Arduino và module cảm biến được minh họa trong hình 4.7 Sơ đồ thuật toán đọc giá trị cảm biến được trình bày rõ ràng, cùng với sơ đồ nối dây trong bảng 4.1, giúp người đọc dễ dàng hiểu cách kết nối và vận hành hệ thống.
Khi giao tiếp với module này, cần lưu ý truy xuất chính xác địa chỉ của từng giá trị thông số Mỗi thông số được mã hóa theo kiểu Hex (mã thập lục phân), vì vậy việc chuyển đổi sang kiểu dữ liệu số thực cần được thực hiện một cách cẩn thận.
4.3.2 Chương trình giao tiếp với module ethernet ENJ28J60 Đối với việc giao tiếp với Module Ethernet thì điều quan nhất là việc phải thiết lập được địa chỉ IP cho nó
Việc áp dụng Modbus TCP/IP trong các bộ điều khiển công nghiệp mang lại nhiều lợi ích, nhờ vào khả năng truyền thông qua mạng TCP/IP qua cổng 502 Với việc các lớp giao thức thấp hơn đã đảm bảo bảo vệ tổng kiểm tra, Modbus TCP/IP không cần thực hiện tính toán này Hơn nữa, việc sử dụng nền tảng TCP/IP cho phép tận dụng cơ sở hạ tầng hiện có như router mạng Ethernet và cổng RJ45, giúp tối ưu hóa hiệu suất và khả năng kết nối.
Hình 3.17 (xem Hình 3.17) là cách thiết lập địa chỉ IP trên Arduino giúp nó định danh với các trạm khác nhau trong hệ thống
4.3.3 Chương trình giao tiếp PLC Client với Arduino Để giao tiếp giữa PLC với Arduino, chúng tôi sử dụng chuẩn giao Modbus TCP/IP do vậy việc giao tiếp bắt buộc phải sử dụng hàm MB_Client (xem Hình 4.10), các thông số phải thiết lập khi sử dụng hàm Modbus TCP/IP (xem Bảng 4.6)
Hình 4.10 Khối MB_Client có chức năng truyền thông giữa Arduino với PLC Client
Bảng 4.6 Bảng chức năng các đầu vào/đầu ra trên hàm MB_CLIENT
Thông số Khai báo Kiểu Dữ Liệu Chức năng
REQ Input Bool Yêu cầu cho phép truyền thông
DISCONNECT Input Bool 0: Thiết lập kết nối với IP
Address và ID Port 1: Ngừng giao tiếp CONNECT_ID Input Uint ID riêng biệt để xác định kết nối
To input an IP address, provide the values for each octet: IP_OCTET_1 for the first octet, IP_OCTET_2 for the second, IP_OCTET_3 for the third, and IP_OCTET_4 for the fourth Each octet should be entered as an unsigned integer (USint).
IP_PORT Input Uint IP Port để thiết lập giao tiếp sử dụng TCP/IP Protocol
MB_MODE Input USint Lựa chọn chế độ làm việc (đọc, ghi, chẩn đoán)
MB_DATA_ADDR Input UDint Địa chỉ bắt đầu để truy cập dữ liệu bởi Mb_Client
MB_DATA_PTR InOut Variant Con trỏ chỉ địa chỉ thanh ghi
DONE Output Bool 1: Gửi hoàn thành mà không lỗi
BUSY Output Bool 0: Không có MB_Client hoạt động 1: MN_Client hoạt động
ERROR Output Bool 0: Không lỗi
STATUS Output Word Trạng thái của quá trình giao tiếp (Error code)
0000: Khởi tạo thành công không lỗi
7002: Sẵn sàng giao tiếp 7006: Nhận dữ liệu thành công
4.3.4 Chương trình giao tiếp giữa PLC Server và PLC Client
Giao tiếp giữa nhiều PLC thông qua cổng LAN mang lại sự tiện lợi trong việc truyền nhận dữ liệu Để ghi và nhận dữ liệu từ PLC Client, cần sử dụng hai hàm chức năng quan trọng: TSEND_C và TRCV_C.
Khi sử dụng hai khối TSEND_C và TRCV_C để truyền thông giữa nhiều PLC, việc xác định rõ PLC nào là đối tác (Local hay Partner) là rất quan trọng Các thiết lập cần phải được cấu hình phù hợp trên từng thiết bị trong tab Connection Parameter, như được minh họa trong hình thiết lập của hàm TSEND_C và TRCV_C (xem Hình 4.12 và Hình 4.14).
- End Point: Xác định rõ PLC nào gửi và PLC nào nhận để quá trình thiết lập không bị nhầm
- Interface: Lựa chọn giao thức Profinet PN\LAN;
- Address: Bắt buộc các PLC giao tiếp phải cùng lớp thứ 4;
- Connection ID: Phải sử dụng hai ID khác nhau để phân biệt Local và Partner;
- Connection Data: Lựa chọn đúng nơi nhận/gửi dữ liệu;
- Partner Port/Local Port: Phải đặt phân biệt nhau, mỗi thiết bị phải một Port nhất định
Hình 4.11 Khối hàm TSEND_C có chức năng gửi dữ liệu
Hình 4.12 Thiết lập địa chỉ, con trỏ dữ liệu trên hàm TSEND_C
Bảng 4.7 Bảng chức năng của hàm TSEND_C
REQ Bắt đầu gửi với xung cạnh lên
1: Thiết lập và duy trì giao tiếp LEN 0: Nếu có vùng nhớ cụ thể CONNECT Trỏ tới đối tượng kết nối DATA Trỏ tới vùng nhớ bao gồm địa chỉ và kích thước dữ liệu DONE 0: Không thực hiện
1: Gửi xong mà không có lỗi
BUSY 0: Gửi gần hoàn thành hoặc chưa bắt đầu
1: Gửi không hoàn thành hoặc bận thực thi sự kiện khác
1: Có lỗi STATUS Trạng thái quá trình
Hình 4.13 Khối hàm TRCV_C có chức năng nhận dữ liệu
Hình 4.14 Thiết lập địa chỉ IP và con trỏ địa chỉ trên hàm TRCV_C
Bảng 4.8 Bảng chức năng của hàm TRCV_C
EN_R Cho phép nhận CONT 0: Không cho phép kết nối
1: Thiết lập, cho phép kết nối LEN Kích thước dữ liệu gửi
0: Sử dụng khi được xác định địa chỉ để truy cập có sẵn ADHOC Sử dụng cho TCP Protocol
CONNECT Trỏ vào địa chỉ kết nối DATA Trỏ vào địa chỉ nhận DONE 0: Chưa nhận
1: nhận hoàn thành BUSY 0: nhận gần hoàn thành hoặc chưa bắt đầu
1: nhận không hoàn thành hoặc bận thực thi sự kiện khác ERROR 0: Không lỗi
1: Có lỗi STATUS Trạng thái quá trình RCVD_LEN Tổng số dữ liệu nhận được theo kiểu byte
4.3.5 Xử lý tín hiệu Analog Để mô phỏng được sự cố sụt áp trên hệ thống điện, bắt buộc phải sử dụng tín hiệu analog để mô phỏng tín hiệu sự cố sụt áp
Việc xử lý tín hiệu Analog trên S7-1200 (xem Hình 4.15) được thực hiện bởi hai hàm chức năng NORM_X và SCALE_X
Hàm NORM_X có chức năng bình thường hóa giá trị của biến đầu vào bằng cách ánh xạ vào hàm SCALE tuyến tính, với các thông số MIN và MAX được sử dụng để xác định giới hạn của dãy giá trị trong hàm SCALE.
Hình 4.16 Biểu đồ thể hiện sự tuyến tính của giá trị đầu vào và đầu ra qua hàm
NORM_X Hàm NORM_X làm việc theo công thức:
OUT = (VALUE-MIN)/(MAX-MIN) Bảng 4.9 Bảng thông số hàm NORM_X
Thông số Ngõ vào/ra Kiểu dữ liệu Vùng nhớ Chức năng
EN Input BOOL I, Q, M, D, L Cho phép ngõ vào
ENO Output BOOL Cho phép ngõ ra
MIN Input Integer, floating - point numbers
VALUE Input Integer, floating - point numbers
MAX Input Integer, floating - point numbers
OUT Output floating - point numbers
Khi sử dụng hàm NORM_X cho đề tài của nhóm, cần thiết lập các thông số quan trọng theo Bảng 4.9 Giá trị tối thiểu (MIN) được đặt là 0, trong khi giá trị tối đa (MAX) là 27648, như được thể hiện trong Hình 4.15.
Hàm SCALE có nhiệm vụ điều chỉnh giá trị đầu vào bằng cách ánh xạ nó vào một khoảng giá trị xác định Hàm SCALE_X thực hiện việc này bằng cách đưa giá trị số thực vào khoảng giá trị được xác định bởi các tham số MIN và MAX, do đó giá trị đầu ra (OUT) sẽ là một số nguyên thực.
Hình 4.17 Biểu đồ thể hiện giá trị đầu vào Value với giá trị MIN/MAX Hàm SCALE_X làm việc theo biểu thức:
OUT = [VALUE *(MAX-MIN)] + MIN Khi sử dụng hàm SCALE_X bắt buộc phải thiết lập các thông số sau (xem Bảng 4.10):
Bảng 4.10 Bảng thông số của hàm SCALE_X
Thông số Ngõ vào/ra Kiểu dữ liệu Vùng nhớ Chức năng
EN Input BOOL I, Q, M, D, L Cho phép ngõ vào
ENO Output BOOL Cho phép ngõ ra
MIN Input Integer, floating - point numbers
VALUE Input Integer, floating - point numbers
MAX Input Integer, floating - point numbers
OUT Output floating - point numbers
4.3.6 Thiết lập giao diện giám sát trên Node red
Việc thiết kế Web Server giám sát trên Node Red bắt buộc phải khai báo địa chỉ IP của PLC sử dụng giao tiếp với Web (xem Hình 4.18)
Chính vì kết nối thông qua giao thức S7 Protocol nên quá trình phản hồi tương đối nhanh
Hình 4.18 Thiết lập địa chỉ IP cho truyền thông S7- Protocol
Để sử dụng các chức năng có sẵn trên Node-Red thông qua PLC, cần khai báo các vùng nhớ tương ứng Các địa chỉ vùng nhớ này phải được xác định theo bảng trong Excel và sau đó được nhập khẩu lên Node-Red, hoặc có thể nhập trực tiếp như hình minh họa (xem Hình 4.19).
Hình 4.19 Khai báo địa chỉ các vùng phục vụ cho thiết kế Web
4.3.7 Thiết kế giao diện giám sát SCADA
Màn hình giám sát SCADA của đề tài gồm 4 trang chính Đó là giám sát điều khiển trung tâm, tầng 1, tầng 2 và trang cảnh báo lỗi
Giao diện giám sát điều khiển trung tâm cho phép người dùng theo dõi tổng quan các thông số điện năng của các tầng, giúp so sánh lưu số liệu giữa các khu vực Ngoài ra, người dùng còn có khả năng điều khiển từ xa các thiết bị trong từng khu vực và xử lý nhanh chóng khi gặp sự cố.
Kết quả đạt được
Trong quá trình nghiên cứu, nhóm gặp nhiều khó khăn trong việc áp dụng kiến thức học tập vào thực tế và giải quyết vấn đề một cách hợp lý Mặc dù thời gian hạn chế, nhóm đã thành công trong việc thiết kế mô hình giám sát điện năng tiêu thụ cho tòa nhà, sử dụng chuẩn truyền thông Modbus TCP/IP, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đề ra.
Nhóm đã phát triển thành công màn hình giám sát SCADA tại máy tính trung tâm, cho phép người dùng dễ dàng theo dõi và điều khiển các thông số điện năng từ xa Màn hình giám sát SCADA bao gồm các tab tương ứng với từng vị trí giám sát cụ thể, giúp việc kiểm tra trở nên thuận tiện hơn Đề tài thiết kế 4 màn hình giám sát, bao gồm màn hình giám sát trung tâm, màn hình giám sát tầng 1, màn hình giám sát tầng 2 và màn hình cảnh báo sự cố.
Hình II Màn hình giám sát trung tâm
Hình III Màn hình giám sát tầng 1
Hình IV Màn hình giám sát tầng 2
Nhóm đã phát triển một Web Server dựa trên nền tảng Node Red, cho phép người dùng giám sát các thông số từ xa mà không cần có mặt trực tiếp Giao diện của Web Server được thiết kế trực quan và dễ sử dụng, giúp người dùng dễ dàng quan sát Đặc biệt, hệ thống cung cấp các biểu đồ theo dõi thông số điện năng được cập nhật liên tục, nâng cao khả năng quản lý và kiểm soát.
Web Server được thiết kế với nhiều tab, mỗi tab đại diện cho một khu vực giám sát khác nhau, bao gồm Giám sát trung tâm (Home), Giám sát tầng 1 (Floor 1) và Giám sát tầng 2 (Floor 2).
Hình VI Tab giám sát thông số điện năng trung tâm trên Web Server
Hình VII Tab giám sát thông số điện năng tại tầng 1 trên Web Server
Hình VIII Tab giám sát các thông số điện tại tầng 2 trên Web Server
Kết luận
Sau quá trình nghiên cứu và tìm hiểu tài liệu chuyên ngành về truyền thông trong công nghiệp, cùng với kiến thức tích lũy trong 4 năm đại học và sự hỗ trợ tận tình từ TS Phạm Duy Dưởng cũng như các Thầy Cô trong khoa Điện – Điện Tử, nhóm chúng tôi đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp.
“Giám sát điện năng tiêu thụ tòa nhà sử dụng truyền thông Modbus TCP/IP”
Trong quá trình nghiên cứu, nhóm nhận thấy đề tài có tính thực tiễn và khả năng áp dụng cao, đáp ứng nhu cầu xã hội hiện nay và xu hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Đề tài cũng cung cấp nguồn tài liệu giá trị cho sinh viên khóa sau, giúp họ tận dụng kết quả nghiên cứu để cải thiện, phát triển và áp dụng công nghệ vào nghiên cứu khoa học hoặc đề tài tốt nghiệp.
1 Tính mới của đề tài
Hệ thống giám sát điện năng tòa nhà đã được áp dụng rộng rãi trên thế giới, nhưng tại Việt Nam, công nghệ này vẫn chưa phổ biến Qua quá trình nghiên cứu, nhóm đã nhận thấy nhiều tính mới trong đề tài này.
Sử dụng thiết bị PLC S7-1200 kết hợp với vi điều khiển Arduino giúp đọc giá trị điện năng tiêu thụ một cách chính xác, đảm bảo chất lượng giám sát không bị ảnh hưởng.
- Hệ thống còn có khả năng cảnh báo lỗi liên quan đến điện áp;
- Sử dụng Web Server để giám sát điện năng từ xa;
- Khả năng mở rộng hoặc kết hợp vận hành với hệ thống BMS trong tòa nhà;
- Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp Modbus TCP/IP để giao tiếp với các thiết bị trường
2 Tính an toàn và liên quan đến vấn đề môi trường toàn cầu
Hệ thống giám sát điện năng tòa nhà cho phép chủ sở hữu theo dõi chất lượng điện năng, từ đó đưa ra các biện pháp nâng cấp, sửa chữa và cải tiến thiết bị trong từng khu vực Đặc biệt, hệ thống cung cấp cảnh báo về sự cố, giúp phát hiện sớm các vấn đề như sụt áp hay quá công suất, đảm bảo an toàn cho con người và tài sản xung quanh.
Hệ thống giám sát điện năng mà nhóm xây dựng không chỉ theo dõi sản lượng tiêu thụ điện theo giờ, ngày và tháng, mà còn giúp tính toán và đưa ra giải pháp tiết kiệm năng lượng Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng hiện nay, góp phần vào việc tiết kiệm điện hiệu quả.
Hiện nay, hầu hết các tòa nhà cao tầng đều trang bị hệ thống mạng Wifi kết nối Ethernet Truyền thông Modbus TCP/IP là chuẩn giao tiếp Ethernet sử dụng IP cho các thiết bị, cho phép giao tiếp dễ dàng qua cổng LAN với chuẩn dây RJ45 Nhờ đó, việc kết nối các trạm giám sát trong hệ thống PMS trở nên đơn giản, chỉ cần sử dụng dây RJ45 để kết nối với router Wifi, giúp tiết kiệm chi phí đầu tư thiết bị kết nối và tận dụng cơ sở hạ tầng có sẵn.
Hướng phát triển
Để đáp ứng sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ, hệ thống giám sát điện năng cần được cập nhật liên tục nhằm tránh lạc hậu Dưới đây là những định hướng tương lai cho đề tài "Hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ tòa nhà sử dụng chuẩn truyền thông Modbus TCP/IP".
- Sử dụng các thiết bị trường khác chất lượng, tối ưu hơn PLC như RTU, DCS…;
Nghiên cứu về việc áp dụng các chuẩn truyền thông không dây mới đang giúp tối ưu hóa kết nối, giảm thiểu việc sử dụng dây dẫn mà vẫn giữ nguyên hiệu suất trao đổi dữ liệu Các công nghệ như Lora và Zigbee cho phép duy trì độ trễ tiếp nhận dữ liệu thấp, mang lại hiệu quả cao trong truyền thông.
Trong tương lai, hệ thống sẽ được nâng cấp để không chỉ giám sát điện năng từ lưới điện cung cấp mà còn từ hệ thống điện mặt trời Điều này cho phép thực hiện điều khiển chuyển mạch tự động khi nguồn điện lưới bị mất, chuyển sang nguồn điện dự phòng một cách hiệu quả.
Tích hợp hệ thống PMS vào hệ thống BMS của tòa nhà giúp giám sát toàn diện, đảm bảo an toàn và nâng cao chất lượng điều khiển Nhóm chúng tôi đưa ra các ý kiến nhằm hoàn thiện hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ Chúng tôi mong nhận được sự góp ý và bổ sung từ hội đồng bảo vệ để đề tài được hoàn thiện hơn.