Mục tiêu đề tài
Mục tiêu của đề tài là xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát điện năng cho tòa nhà bằng công nghệ Modbus TCP/IP, cho phép thu thập dữ liệu và giám sát các thông số tại các trạm Hệ thống sử dụng 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 qua giao diện Web Server, giúp theo dõi điện năng và các thông số liên quan từ bất kỳ đâu chỉ cần 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 đầu tiên của nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát 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 tìm hiểu này nhằm mục đích nắm bắt các công nghệ và xu hướng mới nhất trong lĩnh vực quản lý năng lượng, từ đó đưa ra các giải pháp hiệu quả cho việc tối ưu hóa tiêu thụ điện năng trong các công trình xây dựng.
- 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 nghiên cứu thiết kế mô hình giám sát điện năng tiêu thụ tòa nhà dựa trên chuẩn truyền thông Modbus TCP/IP, nhằm làm chủ công nghệ và triển khai ứng dụng 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 quản lý và điều khiển toàn bộ thiết bị kỹ thuật trong tòa nhà, đảm bảo an toàn, tiết kiệm nhân công và thời gian Với tính năng đồng bộ và thời gian thực, BMS phù hợp với xu hướng công nghiệp hóa hiện nay Hệ thống này sử dụng các bộ xử lý hiện đại và liên kết với phần mềm, phần cứng như DCS, PC Industry và SCADA Trong đồ án tốt nghiệp, nhóm chúng tôi chọn giám sát điện năng làm 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 trên TIA Portal V15, nhằm giám sát và điều khiển hệ thống Đặc biệt, chúng tôi cũng thiết kế hệ thống Web Server trên nền Node JS, kế thừa từ nền tảng IoT, cho phép người dùng giám sát và điều khiển hệ thống điện năng trong tòa nhà từ bất kỳ đâu 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 hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, theo dõi và xử lý tình huống bất thường Ngoài ra, cấp này còn 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 không yêu cầu thiết bị phần cứng đặc biệt, chỉ cần sử dụng máy tính thông thường.
Trong đề tài 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 phổ biến hiện nay 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:
Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại bộ điều khiển cấp trường phù hợp với hệ thống BMS và hệ thống giám sát điện năng PMS, bao gồm DDC, PLC, PXC, PAC, và DCS Chức năng chính của các bộ điều khiển này là nhận và xử lý thông tin từ cảm biến theo thuật toán đã lập trình, sau đó truyền dữ liệu xuống các bộ chấp hành Máy tính thực hiện việc theo dõi các công cụ đo lường và thực hiện các thao tác như mở/đóng van, điều chỉnh cần gạt và núm xoay Điểm nổi bật của cấp điều khiển là khả năng xử lý thông tin và truyền tín hiệu tới các cơ cấu chấp hành, với cảm biến và chấp hành được lắp đặt gần gũi với hệ thống kỹ thuật.
Trong bối cảnh hạn chế về đề tài và ngân sách, nhóm chúng tôi đã 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
Hệ thống chấp hành bao gồm các thiết bị đầu vào như 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 và động cơ Chức năng chính của hệ thống này 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, giúp thực hiện đo lường và truyền động một cách chính xác và nhanh nhạy Các thiết bị thông minh, với bộ vi xử lý riêng, có khả năng xử lý và chuẩn bị thông tin cấp điều khiển một cách trực tiếp, giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu quả trong việc điều khiển mà không cần qua khâu xử lý tín hiệu.
Chúng tôi đã tối ưu hóa hệ thống PMS bằng cách xử lý các tín hiệu điện áp thông qua giao tiếp với module cảm biến dòng và vi điều khiển Arduino Điều này cho phép thu thập dữ liệu một cách nhanh chóng và chính xác, từ đó nâng cao hiệu quả của 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, giúp tối ưu hóa hiệu suất và khả năng tương tác giữa các hệ thống.
- 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, phát triển chương trình đồ họa, cùng với việc lưu trữ và sao lưu dữ liệu để phục vụ cho 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 nhờ vào hệ thống lưu trữ dữ liệu, chương trình bảo trì bảo dưỡng định kỳ, và hệ thống tự động báo cáo cùng 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 là một lợi ích quan trọng, nhờ vào việc sử dụng mô hình quản lý trực quan và khoa học trên máy tính Điều này không chỉ giúp tiết kiệm tối đa chi phí cho nhân sự mà còn đảm bảo chất lượng công việc không bị ảnh hưởng.
- 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 ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là thủ công, với nhiều tòa nhà chưa áp dụng thiết bị giám sát từ xa Việc này thường phụ thuộc vào kỹ thuật viên hoặc nhân viên giám sát tòa nhà, khiến cho quá trình giám sát định kỳ trở nên tốn thời gian và thiếu chính xác Các kỹ thuật viên thường phải đi đến từng tầng hoặc khu vực cụ thể để ghi nhận số liệu, điều này không chỉ làm giảm hiệu quả công việc mà còn ảnh hưởng đến chất lượng giám sát điện năng.
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 quy mô ngày càng lớn, nhu cầu xử lý nhanh chóng và chính xác đã khiến phương pháp thủ công không còn đáp ứng đủ yêu cầu của các chủ tòa nhà Phương pháp này không chỉ tốn nhiều nhân công mà còn thiếu tính linh hoạt cần thiết.
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 và nhược điểm nhất định, nên chỉ 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 của nó làm cho việc điều khiển và giám sát điện năng trong tòa nhà trở nên hiệu quả và phù hợp.
Hệ thống cho phép giám sát và quản lý tập trung 24/24, cung cấp 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 tại bất kỳ khu vực nào và vào bất kỳ thời điểm nào là điều khả thi Qua đó, chúng ta có thể đề xuất các phương án điều chỉnh và định hướng tương lai nhằm xây dựng hệ thống truyền tải điện phù hợp với thực tế.
1.2.5 Lựa chọn phương pháp tối ưu
Các phương pháp giám sát điện cho tòa nhà cao tầng được phân tích từ Mục 1.2.1 đến Mục 1.2.4 cho thấy mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng Tuy nhiên, để đáp ứng các tiêu chí cần thiết cho việc giám sát điện trong các tòa nhà cao tầng, các phương pháp này cần được lựa chọn và áp dụng một cách phù hợp.
- 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
Phương án giám sát điện năng sử dụng chuẩn truyền thông Modbus TCP/IP là giải pháp tối ưu, đáp ứng đầy đủ các mục tiêu và yêu cầu đã 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 hay năng lượng tòa nhà (PMS) đóng vai trò quan trọng nhất, vì nó là nguồn năng lượng chính cho các hệ thống khác hoạt động hiệu quả.
Hệ thống giám sát điện năng đóng vai trò quan trọng trong quản lý năng lượng tại các tòa nhà, đặc biệt là tòa nhà cao tầng Các chức năng của hệ thống này giúp tối ưu hóa việc sử dụng điện, giảm thiểu lãng phí và nâng cao hiệu quả hoạt động.
- 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, hệ thống PMS cơ bản cần bao gồm các thông số bắt buộc được liệt kê trong Bảng 1.1.
Trong bài viết này, 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.
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 của hãng SIEMENS, ra mắt năm 2009, là sự thay thế cho dòng S7-200 với thiết kế module nhỏ gọn, linh hoạt và chi phí thấp, phù hợp cho nhiều ứng dụng Sản phẩm này sở hữu giao diện truyền thông tiêu chuẩn hoàn hảo cùng các tính năng tích hợp, giúp lập trình viên dễ dàng thiết kế hệ thống Điểm nổi bật là S7-1200 được tích hợp cổng truyền thông Profinet (Ethernet) và sử dụng phần mềm Simatic Step 7 Basic cho lập trình PLC và màn hình giám sát HMI, mang lại sự nhanh chóng và tiện lợi trong việc lập trình và thi công 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 ứng dụng điều khiển thiết bị, quản lý tự động hóa và vận hành điện trong hệ thống 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 một nền tảng duy nhất.
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 các 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.
TIA Portal là phần mềm nền tảng cho tất cả các ứng dụng phát triển như 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 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 cùng thư viện Simatic Robot đầy đủ hỗ trợ người dùng thiết kế, cấu hình và cài đặt hệ thống một cách nhanh chóng.
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 một công cụ lập trình kéo-thả mạnh mẽ, cho phép kết nối các thiết bị phần cứng và hỗ trợ tích hợp API cùng dịch vụ trực tuyến Với trình soạn thảo dựa trên trình duyệt, người dùng có thể dễ dàng kết nối các luồng bằng cách sử dụng nhiều Node trong bảng màu, chỉ với một cú nhấp chuột Node-RED tương thích với nhiều chuẩn truyền thông mạng và thiết bị liên kết, mang lại tính linh hoạt cao trong việc phát triển ứng dụng Trong đề tài này, nhóm sử dụng PLC S7-1200 để giao tiếp với Node-RED thông qua chuẩn S7 Communication – S7 Protocol, nhằm thiết lập Node-RED làm Web Server phục vụ cho việc giám sát điện năng của tòa nhà.
Node-RED là công cụ dễ sử dụng và tương thích với nhiều ngôn ngữ lập trình, đặc biệt phù hợp với thời đại IoT hiện nay Đây là lựa chọn hàng đầu cho các dự án liên quan đến IoT nhờ vào ưu điểm lớn là miễn phí và dễ dàng sử dụng Giao diện của Node-RED bao gồm nhiều thành phần, 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 đại, mạng truyền thông công nghiệp ngày càng được áp dụng rộng rãi để quản lý và giám sát quy trình sản xuất, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm Nhu cầu này đã dẫn đến sự phát triển của nhiều giao thức mạng như Modbus, Profinet, Profibus và Ethernet Mỗi giao thức lại được chia thành các chuẩn khác nhau, trong đó Modbus có các chuẩn phổ biến 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 việc truyền tải dữ liệu đến đúng địa chỉ và nhận dữ liệu một cách chính xác.
Modbus-TCP/IP là giao thức Modbus hoạt động trên mạng Ethernet, cho phép truyền thông trong các mô hình TCP/IP Modbus-TCP được công nhận bởi Tổ chức Người dùng Modbus-IDA như 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, nhiệt độ được cấp một địa chỉ duy nhất Khung dữ liệu từ Master đến các thiết bị Slave sẽ bao gồm ID định danh của thiết bị Slave, đảm bảo việc truyền thông 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 includes only the Server Address byte, while the MBAP (Modbus Application Protocol) header for Modbus TCP/IP consists of 7 bytes.
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, giống như các loại Modbus khác, sử dụng mô hình Server-Client để truyền thông Tuy nhiên, nó được triển khai trên nền tảng Ethernet và sử dụng bộ giao thức TCP trên nền IP.
Modbus TCP đã cách mạng hóa khái niệm truyền thống về mô hình Server-Client nhờ vào khả năng giao tiếp ngang hàng của 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 một tiêu chuẩn giao tiếp ra đời vào những năm 80, cho phép kết nối các máy tính và thiết bị trong mạng LAN cục bộ Nó quy định cách các thiết bị mạng định dạng và truyền các gói dữ liệu, giúp các thiết bị trong cùng mạng phát hiện, nhận và xử lý thông tin Cáp Ethernet là hệ thống dây vật lý cần thiết để truyền dữ liệu, thường được kết nối với bộ định tuyến, modem hoặc bộ chuyển mạng qua cổng ethernet, cho phép truyền gửi các gói dữ liệu hiệu quả.
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, tương ứng với hai lớp đầu tiên trong mô hình OSI (Open Systems Interconnection) - một mô hình tham chiếu cho các hệ thống mở.
Lớp vật lý bao gồm 2 thành phần:
Cáp mạng bao gồm cáp xoắn đôi, cáp quang và cáp đồng trục, trong đó cáp xoắn đôi là phổ biến nhất Loại cáp mới nhất là CAT 6, có tốc độ truyền dữ liệu 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 (Media Access Control - MAC) 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 dựa trên địa chỉ IP là yếu tố quan trọng trong truyền thông giữa các thiết bị Để thiết lập kết nối, cần xác định địa chỉ của cả thiết bị truyền thông và thiết bị đích Các địa chỉ này thường được biểu diễn dưới dạng số thập phân và phân lớp, giúp dễ dàng quản lý và định vị trong mạng.
Ethernet hoạt động trên lớp liên kết dữ liệu thông qua thuật toán CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) Khi một thiết bị muốn truyền dữ liệu, nó cần lắng nghe để xác định xem có thiết bị nào khác đang sử dụng đường truyền Nếu đường truyền rảnh, thiết bị sẽ tiến hành gửi dữ liệu Trong quá trình này, thiết bị cũng lắng nghe để phát hiện có sự va chạm với dữ liệu từ các thiết bị khác hay không Ưu điểm của phương pháp này là khả năng quản lý hiệu quả việc truyền tải dữ liệu.
Kết nối ethernet mang lại tốc độ vượt trội so với kết nối không dây, cho phép người dùng dễ dàng đạt được tốc độ lên đến 10Gbps, đặc biệt với các cặp xoắn mới nhất Một số loại cáp còn có khả năng đạt tới 100Gbps.
Mạng Ethernet cung cấp tính bảo mật cao, cho phép người dùng kiểm soát ai có quyền truy cập Điều này giúp ngăn chặn các hacker dễ dàng lấy cắp thông tin, đảm bảo an toàn cho dữ liệu.
- 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 hệ thống giám sát trên SCADA nhằm thu thập dữ liệu điện năng và thực hiện giám sát, điều khiển hệ thống điện tòa nhà qua màn hình SCADA tại trung tâm điều hành hoặc trên giao diện Web Server sử dụng nền tảng API mở Node Red Chủ tòa nhà có thể dễ dàng theo dõi sản lượng tiêu thụ và chất lượng điện năng chỉ với kết nối ethernet từ phòng giám sát.
Nhóm đã đề xuất một hệ thống dựa trên mô hình điều khiển phân tán, kết hợp ứng dụng IoT trong quản lý tòa nhà, như minh họa trong Hình 3.1.
Hình 3.1 Sơ đồ tổng thể hệ thống
Hệ thống được chia thành hai phần chính: phần thiết bị đầu cuối, chịu trách nhiệm thu thập dữ liệu cảm biến, điều khiển các cơ cấu chấp hành và truyền thông, và phần 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 các thành phần như 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, thực hiện giao tiếp giữa các thành phần khác nhau Nó thu thập dữ liệu từ các cảm biến, truyền tải thông tin lên giao diện Web Server, và đảm bảo việc truyền nhận dữ liệu giữa các PLC Đồng thời, khối này cũng hỗ trợ giám sát dữ liệu trên 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 cùng với 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 hoạt động theo yêu cầu, bao gồm việc đóng cắt nguồn và bật tắt đèn.
Khối cơ cấu chấp hành bao gồm các thiết bị điều chỉnh các thông số và cơ cấu của nông trại, nhằm 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 lắp đặt dưới trạm Server, có nhiệm vụ chính là thu thập dữ liệu điện tại 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 liên quan Các trạm hoạt động độc lập, đảm bảo rằng khi một trạm gặp sự cố, 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 Trong phần này, chúng tôi sẽ nêu rõ lý do vì sao PLC S7 1200 được chọn làm thiết bị điều khiển và xử lý chính trong hệ thống.
Trong bối cảnh phát triển của công nghệ 4.0, đặc biệt là trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển tự động hóa, câu hỏi quan trọng là khi nào nên sử dụng RTU hay PLC Cả hai thiết bị này đều là thiết bị điện tử với chức năng tương đồng, nhưng RTU và PLC có những đặc điểm riêng biệt RTU thường được cung cấp với các tính năng tương tự như PLC và ngược lại Hình 3.4 sẽ giúp so sánh rõ ràng những ưu điểm và nhược điểm 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 thường được gọi là thiết bị từ xa, đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát và điều khiển các hệ thống từ xa.
RTU là giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng nông nghiệp ở khoảng cách địa lý rộng lớn nhờ vào khả năng giao tiếp không dây Hệ thống RTU cũng rất phù hợp cho các cấu trúc điều khiển phức tạp, mang lại hiệu quả cao trong quản lý và giám sát.
RTU được xem là có dung sai môi trường, mang lại lợi thế đáng kể trong các ứng dụng Thiết bị này được sử dụng phổ biến trong những môi trường khắc nghiệt và ở những vị trí xa xôi như hầm mỏ, đảo hoang, đỉnh núi và 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, và các hệ thống chiếu sáng, giải trí.
PLC được thiết kế đặc biệt để quản lý nhiều đầu vào và đầu ra, với khả năng chống rung, chống ồn điện và chống va đập Ngoài ra, chúng còn hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện nhiệt độ khác nhau.
PLC đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển các quá trình và chuyển tiếp, đồng thời hỗ trợ kết nối mạng Hiện nay, PLC đã được tích hợp với máy tính để nâng cao khả năng lưu trữ, xử lý và giao tiếp dữ liệu hiệu quả hơn.
Cả PLC và RTU đều có chức năng tương tự nhau nhưng mỗi loại có những ưu điểm riêng Trong hệ thống giám sát điện năng tòa nhà, việc sử dụng PLC để lập trình và xử lý là lựa chọn hợp lý nhờ vào khả năng linh hoạt và hiệu suất cao của nó.
PLC có khả năng thu thập và xử lý tín hiệu hiệu quả, giúp điều khiển các hệ thống trong tòa nhà hoặc nhà xưởng, đồng thời 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 đang 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 về cả phần mềm lẫn phần cứng, được phát triển tại Ý với phần cứng dựa trên vi xử lý AVR Atmel 8bit và ARM Atmel 32-bit Các board mạch Arduino hiện nay được trang bị cổng USB, 6 chân đầu vào analog và 14 chân I/O kỹ thuật số, cùng nhiều board mở rộng khác 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 khuyến khích nhiều chuyên gia và lập trình viên phát triển thư viện mã nguồn mở, hỗ trợ người mới, đặc biệt là sinh viên, trong việc khám phá và sử dụng Arduino.
Trên thị trường hiện có nhiều phiên bản Arduino như Arduino Uno R3, Arduino Mega2560, và Arduino Nano Trong nghiên cứu 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, và có tiêu đề lập trình hệ thống trong mạch (ICSP) cùng với một nút reset.
Mạch kit Arduino này nổi bật với vi điều khiển ATmega16U2, được lập trình như một bộ chuyển đổi USB-to-serial Bộ vi điều khiển này đi kèm với bộ nạp khởi động USB riêng, cho phép người dùng thực hiện lập trình nâng cao và dễ dàng thao tác lập trình.
Sơ đồ nối dây
Để hiểu rõ hơn về hệ thống, bài viết này sẽ cung cấp các bản vẽ chi tiết về từng kết nối của thiết bị, module và cảm biến trong đề tài 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, nơi đề cập 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, cần có module Ethernet, như đã đề cập trong phần giao thức Modbus TCP/IP (Mục 2.3.1) Bảng kết nối sơ đồ chân tương ứng giữa Arduino và module Ethernet được trình bày rõ ràng, cụ thể 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 kết nối phần cứng giữa Arduino và Ethernet ENC28J60, việc khởi tạo địa chỉ MAC và địa chỉ IP trên phần mềm là cần thiết để đảm bảo khả năng truyền thông với PLC Bước khởi tạo này được thể hiện 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 kết nối trực tiếp với trung tâm của từng trạm Client, cụ thể là PLC Sơ đồ kết nối được thể hiện 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 cấp phát nguồn cho các thiết bị trong hệ thống Nhóm nghiên cứu áp dụng 3 mức nguồn cấp để 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 (Hình 3.20) minh họa các kết nối giữa thiết bị và PLC Client, bao gồm các cơ cấu chấp hành Input và Output Qua sơ đồ, có thể nhận thấy rõ ràng các kết nối giữa thiết bị đầu vào/ra với PLC Server và PLC Client.
Mỗi PLC có chức năng riêng biệt, do đó sơ đồ đấu nối dây đầu vào và đầu ra của chúng cũng khác nhau.
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 trong hai trạm gặp sự cố Dưới đây là hai bảng phân công vào/ra tại hai trạm Client (xem 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 cho từng khu vực cụ thể trong tòa nhà, đồng thời dễ dàng nâng cấp và cải tiến để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao.
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 rõ ràng cho từng quá trình Trong chương trình, nhóm áp dụng phương pháp định danh thông qua việc gán giá trị, trong đó dữ liệu được nhận khi tín hiệu clock đạt mức cao trong 0.5ms và dữ liệu được gửi khi tín hiệu clock đạt mức thấp trong 0.5ms.
- 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 được gán một địa chỉ IP duy nhất, giúp định danh chúng giữa nhiều PLC Client khác nhau Nhóm nghiên cứu 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 mức 1, cho phép ghi dữ liệu xuống PLC Client.
PLC Server sẽ kiểm tra địa chỉ ghi dữ liệu Nếu địa chỉ đúng với địa chỉ đã thiết lập trước đó, quá trình nhận dữ liệu sẽ diễn ra Ngược lại, nếu địa chỉ sai, quá trình kiểm tra sẽ được lặp lại cho đến khi địa chỉ quy định được thỏa mãn.
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 khớp với kích thước vùng dữ liệu, 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 trong datablock được lấp đầy, với điều kiện địa chỉ cuối của vùng nhớ DB8 khác 0, lúc đó quá trình nhận sẽ hoàn tất.
- 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 dữ liệu từ PLC Client thông qua lớp thứ 4 IP_OCTET_4 Nếu giá trị IP_OCTET_4 bằng 4, quá trình ghi dữ liệu sẽ diễn ra trên PLC Client 2 Ngược lại, nếu giá trị khác, quá trình ghi sẽ được thực hiện 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 PLC Client được thiết lập thành công, nó sẽ bắt đầu nhận dữ liệu từ Arduino Dữ liệu này sẽ được chuyển qua chương trình con để kiểm tra lỗi, như thể hiện trong Hình 4.5.
Sau khi chương trình con kiểm tra lỗi hoàn thành, 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 tình trạng 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 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 được thực hiện.
4.2.1.4 Lưu đồ thuật toán chương trình con nhận dữ liệu từ PLC Server
Chương trình con nhận dữ liệu từ PLC thông qua việc đọc địa chỉ Sau khi hoàn tất việc đọc địa chỉ, hệ thống 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 thực hiện.
4.2.1.5 Lưu đồ thuật toán kiểm tra lỗi
Nhóm chúng tôi thực hiện quá trình kiểm tra và cảnh báo lỗi trên hai trạm Client chính, với lưu đồ thuật toán giống nhau (xem Hình 4.5) Trong đồ án này, chúng tôi 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, dẫn đến việc PLC Server khởi tạo biến nhớ và hàm analog để đọc tín hiệu điện áp trên từng trạm Client Sau khi đọc giá trị analog, ta có được giá trị điện áp hiện tại (U_ht).
Chương trình tiến hành so sánh điện áp hiện tại với giá trị điện áp cho phép (U_cp) Nếu điện áp hiện tại (U_ht) nhỏ hơn U_cp, sự cố sụt áp sẽ xảy ra Ngay lập tức, đèn cảnh báo trạng thái lỗi sẽ được kích hoạt và thông tin về 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 được phát triển trên phần mềm Arduino IDE Hình 4.7 minh họa lưu đồ thuật toán đọc giá trị cảm biến, trong khi Bảng 4.1 cung cấp sơ đồ nối dây cho module cảm biến này.
Khi giao tiếp với module này, việc truy xuất đúng địa chỉ của từng giá trị thông số là rất quan trọng Mỗi thông số được mã hóa theo kiểu Hex (mã thập lục phân), do đó, cần xử lý cẩn thận khi chuyển đổi sang kiểu dữ liệu số thực.
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 sử dụng Modbus TCP/IP mang lại lợi ích lớn nhờ vào khả năng truyền thông qua mạng TCP/IP trên các bộ điều khiển công nghiệp, kết nối qua cổng 502 Các lớp giao thức thấp hơn đã đảm bảo bảo vệ tổng kiểm tra, do đó không cần tính toán thêm Hơn nữa, việc áp dụng trên nền tảng TCP/IP cho phép tận dụng cơ sở hạ tầng hiện có như router mạng Ethernet và cổng giao tiếp RJ45.
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
The IP address consists of four octets, where IP_OCTET_1 represents the first octet, IP_OCTET_2 denotes the second octet, IP_OCTET_3 indicates the third octet, and IP_OCTET_4 signifies the fourth octet Each octet is input 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 trên PLC mang lại sự tiện lợi đáng kể Để ghi và nhận dữ liệu từ PLC Client, cần sử dụng hai hàm chức năng quan trọng là TSEND_C và TRCV_C.
Khi sử dụng hai khối TSEND_C và TRCV_C để truyền thông giữa các PLC, việc xác định rõ PLC nào là đối tác (Local hay Partner) là rất quan trọng Ngoài ra, cần thực hiện các thiết lập phù hợp trên từng thiết bị tại tab Connection Parameter, như đã trình bày trong hình minh họa trên 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 trong xử lý tín hiệu analog đầu vào có chức năng bình thường hóa các giá trị của biến đầu vào bằng cách ánh xạ chúng vào một hàm SCALE tuyến tính Thông số MIN và MAX được sử dụng để xác định giới hạn của dãy giá trị trong hàm SCALE, đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình xử lý tín hiệu.
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
Bảng 4.9 cung cấp các thông số cần thiết cho việc thiết lập hàm NORM_X trong đề tài của nhóm, với giá trị MIN là 0 và MAX là 27648 (xem Hình 4.15).
Hàm SCALE được sử dụng để điều chỉnh giá trị đầu vào bằng cách ánh xạ nó vào một khoảng giá trị xác định Trong khi đó, hàm SCALE_X thực hiện việc chuyển đổi giá trị chấm động vào dãi giá trị được xác định bởi các tham số MIN và MAX, dẫn đến giá trị đầu ra là một số thực integer.
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 trực tiếp qua PLC, cần khai báo các vùng nhớ nhằm truy cập các chức năng có sẵn trên Node-Red Các địa chỉ vùng nhớ phải được khai báo theo bảng trong Excel và sau đó import lên Node-Red, hoặc có thể import 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 từng tầng, giúp so sánh và lưu trữ dữ liệu từ các khu vực khác nhau Ngoài ra, người dùng có thể điều khiển thiết bị từ xa và xử lý nhanh chóng các sự cố phát sinh.
Kết quả đạt được
Trong quá trình nghiên cứu, nhóm đã gặp khó khăn trong việc áp dụng kiến thức học được vào thực tế và tìm ra giải pháp 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 thành công trong việc xây dựng màn hình giám sát SCADA tại máy tính trung tâm, cho phép người dùng dễ dàng kiểm tra và điều khiển các thông số điện năng từ xa Màn hình giám sát SCADA được thiết kế với các tab tương ứng cho từng vị trí giám sát, bao gồm bốn màn hình: 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 phát triển một Web Server dựa trên nền tảng Node Red, cho phép người dùng giám sát và kiểm soát các thông số từ xa mà không cần có mặt trực tiếp Giao diện của Web Server được thiết kế thân thiện, trực quan, giúp người dùng dễ dàng quan sát Đặc biệt, hệ thống còn cung cấp các biểu đồ theo dõi thông số điện năng, được cập nhật liên tục để đảm bảo thông tin luôn chính xác và kịp thời.
Web Server được thiết kế với nhiều tab, mỗi tab đại diện cho một khu vực giám sát riêng biệt, 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 một thời gian nghiên cứu tài liệu chuyên ngành về truyền thông trong công nghiệp và áp dụng kiến thức từ 4 năm đại học, nhóm chúng tôi đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp với sự hỗ trợ tận tình từ TS Phạm Duy Dưởng cùng các Thầy Cô trong khoa Điện – Điện Tử.
“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 cao và khả năng áp dụng rộng rãi Đề tài đáp ứng nhu cầu xã hội hiện nay, phù hợp với xu hướng công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước Ngoài ra, đây cũng là nguồn tài liệu quý giá cho sinh viên khóa sau, giúp họ tận dụng kết quả nghiên cứu để cải thiện, phát triển và áp dụng công nghệ trong nghiên cứu khoa học hoặc đề tài tốt nghiệp của mình.
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 và tiềm năng của hệ thống này trong việc tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng.
Sử dụng thiết bị PLC S7-1200 kết hợp với vi điều khiển Arduino giúp đọc giá trị điện năng tiêu thụ một cách hiệu quả, đồng thời 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 các chủ sở hữu tòa nhà cao tầng theo dõi chất lượng điện năng, từ đó xác định tính ổn định và đưa ra các biện pháp như nâng cấp, sửa chữa hoặc cải tiến thiết bị Hệ thống còn có khả năng cảnh báo 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 theo giờ, ngày, tháng mà còn giúp tính toán và đưa ra giải pháp tiết kiệm năng lượng, đặc biệt quan trọng trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng hiện nay.
Hiện nay, hầu hết các tòa nhà cao tầng đều được trang bị hệ thống mạng Wifi kết nối Ethernet Trong khi đó, Modbus TCP/IP là chuẩn truyền thông Ethernet hoạt động trên nền IP cho các thiết bị, sử dụng cổng giao tiếp LAN tương thích với dây RJ45 Điều này giúp việc giao tiếp giữa các trạm giám sát trong hệ thống PMS trở nên đơn giản, chỉ cần sử dụng dây RJ45 kết nối với router mạng Wifi để truyền thông với Server, mà không cần đầu tư thêm thiết bị kết nối, tận dụng cơ sở hạ tầng có sẵn.
Hướng phát triển
Để đáp ứng sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, hệ thống giám sát điện năng cần được cập nhật liên tục nhằm tránh lạc hậu Bài viết này sẽ trình bày các 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 chuẩn truyền thông không dây mới giúp tối ưu hóa kết nối, giảm thiểu sử dụng dây dẫn, đồng thời duy trì hiệu suất trao đổi dữ liệu ổn định với độ trễ thấp, tương tự như các công nghệ Lora và Zigbee.
Hệ thống giám sát điện năng không chỉ từ lưới điện cung cấp mà còn từ hệ thống điện mặt trời sẽ được cải tiến trong tương lai Điều này cho phép thực hiện chuyển mạch tự động sang nguồn điện dự phòng khi nguồn điện lưới bị mất.
Tích hợp hệ thống PMS vào BMS tòa nhà giúp giám sát toàn diện, đảm bảo an toàn và nâng cao chất lượng điều khiển Nhóm mong nhận được ý kiến đóng góp từ hội đồng bảo vệ để hoàn thiện hơn về hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ tòa nhà.