thiết kế và lập trình hệ thống quản lý đóng cắt điện

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ LẬP TRÌNH HỆ THỐNG QUẢN LÝ ĐÓNG CẮT ĐIỆN GVHD : TH.S HUỲNH TRUNG CANG SINH VIÊN : NGUYỄN HOÀNG SÂM MSSV: 14012651 97Thursday, June 13

Trang 1

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ LẬP TRÌNH HỆ THỐNG QUẢN LÝ ĐÓNG CẮT ĐIỆN

GVHD : TH.S HUỲNH TRUNG CANG

SINH VIÊN : NGUYỄN HOÀNG SÂM MSSV: 14012651

97Thursday, June 13, 20249:52:58 PM9:52:58 PM97Thursday, June 13, 20249:52:58 PM9:52:58 PM97Thursday, June 13, 20249:52:58 PM9:52:58 PM

thahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoi

thahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoi

97thahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoiThursday, June 13, 2024

Trang 2

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

1 Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài

Nguyễn Hoàng Sâm MSSV: 14012651

Trang 3

Giảng viên hướng dẫn Tp HCM, ngày tháng 06 năm 2018

Trang 4

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Trang 5

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 11

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 11

Đối tượng nghiên cứu 11

Phạm vi nghiên cứu 12

1.4 Phương pháp nghiên cứu 12

1.5 Một số hệ thống quản lý đóng cắt điện 13

Hệ thống quản lý điện EziBee 13

Điều khiển máy cắt từ xa thông qua RTU của Hệ thống SCADA 15

Chương 2: XÂY DỰNG CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 19

2.1 Cấu trúc của hệ thống điều khiển 19

2.2 Mạng truyền thông trong công nghiệp 20

2.3 Cấu trúc điều khiển của hệ thống 21

2.4 Một số ưu điểm và hạn chế của hệ thống 22

Chương 3: SƠ ĐỒ KẾT NỐI HỆ THỐNG QUẢN LÝ ĐÓNG CẮT ĐIỆN 23

3.1 Sơ đồ kết nối đấu dây của hệ thống 23

3.2 PLC FX5U 32M 25

Hình ảnh, cấu tạo chung 25

Đặc điểm và thông số kỹ thuật đầu vào 26123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

thahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoi972413069:52:58 PM9:52:58 PM972413069:52:58 PM9:52:58 PM972413069:52:58 PM9:52:58 PM

thahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoithahh lau bah do hieh trahg xu duhg dat tu bah do dic ehihh tai xa thchh eco huyeh thchh oci thahh uho ha hoi97Thursday, June 13, 20249:52:58 PM9:52:58 PM97Thursday, June 13, 20249:52:58 PM9:52:58 PM97Thursday, June 13, 20249:52:58 PM9:52:58 PM

Trang 6

Kết nối PLC với Remote I/O 27

Mục đích ứng dụng PLC Mitsubishi FX5U trong đề tài 28

3.3 Remote I/O 29

Hình ảnh: 29

Chức năng 29

Tính năng, đặc điểm 29

Kết nối Remote I/O điều khiển Relay 30

Mục đích ứng dụng của Remote I/O trong đề tài 31

Kiểm tra thông số truyền của Remote I/O 31

4.1 Giới thiệu MODBUS 35

4.2 Các chức năng của MODBUS 36

4.3 Đặc điểm chung của truyền thông nối tiếp MODBUS 37

Cấu trúc mạng MODBUS RTU 37

Quản lý đường truyền Master/Slave 37

Trao đổi dữ liệu trong mạng MODBUS RTU 38

4.4 Giao thức mạng MODBUS RTU 39

Cấu trúc giao thức MODBUS 39 Cấu trúc Gói tin (Frame) Gửi – Request; gói tin nhận – Response 40

123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

Trang 7

4.5 Mạng truyền thông MODBUS RTU của PLC FX5U: 42

Kiểu cấu trúc RTU(Remote Terminal Unit – Đơn vị đầu cuối từ xa) 42

Các hàm MODBUS PLC hỗ trợ 43

Tập lệnh MODBUS : 44

4.6 Lập trình MODBUS Master trên PLC FX5U: 46

Chức năng của mạng MODBUS RTU trong hệ thống 46

Sơ đồ lập trình MODBUS Master trên PLC FX5U 47

Chương trình MODSBUS 48

Lưu ý khi tạo chương trình: 48

Chương 5: PHẦN MỀM QUẢN LÝ ĐÓNG CẮT ĐIỆN 50

5.1 Hệ thống điều khiển giám sát SCADA 50

SCADA là gì? 50

Phần mềm SCADA Wonderware InTouch: 52

5.2 Lập trình điều khiển PLC FX5U trên GX WORK 3 60

Giới thiệu về GX Work 3: 60

Lưu đồ giải thuật cho chương trình cho PLC FX5U: 61

Cài đặt cấu hình Parameter: 62

Bảng địa chỉ I/O của chương trình điều khiển 64

5.3 Phần mềm KEPServerEX 66

Giới thiệu về KEPServerEX: 66

Khái niệm OPC: 66

Sử dụng phần mềm KEPServerEX: 67

Chương 6: KẾT LUẬN 71

6.1 Những kết quả đạt được: 71

6.2 Những thuận lợi và khó khăn khi thực hiện đề tài 71

Trang 8

6.3 Hướng phát triển đề tài 72

LỜI CẢM ƠN 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

PHỤ LỤC 1: Thông số của Remote I/O 75

PHỤ LỤC 2: Chương trình điều khiển của PLC 79

PHỤ LỤC 3: Thực hiện cài đặt cho Project trên KEPServerEX 87

Trang 9

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Mô hình hệ thống quản lý điện EziBee 13

Hình 1.2: Sơ đồ mạch điện của máy cắt 572 của trạm 500kV Hà Tĩnh 16

Hình 1.3: Nguyên lý điều khiển máy cắt từ xa thông qua RTU 18

Hình 2.1: Cấu trúc cớ bản của hệ thống điều khiển giám sát 19

Hình 2.2: Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển 20

Hình 2.3: Cấu trúc tổng quát của hệ thống quản lý đóng cắt điện 21

Hình 2.4: Kết nối các thành phần của hệ thống 22

Hình 3.1: Sơ đồ đấu dây cho mô hình 23

Hình 3.2: Hình ảnh mô hình hệ thống quản lý đóng cắt điện 24

Hình 3.3: PLC Mitsubishi FX5U 32M 25

Hình 3.4: Cấu tạo mặt trước của PLC Mitsubishi FX5U 32M 25

Hình 3.5: Sơ đồ nối dây kết nối PLC với Remote I/O 28

Hình 3.6: Remote I/O 29

Hình 3.7: Kết nối ngõ vào và ngõ ra của Remote I/O với các Relay 30

Hình 3.8: Thông số truyền thông của Remote I/O được thể hiện qua phần mềm GE IP Serial Communication Test 32

Hình 3.9: Hình ảnh và sơ đồ chân của Relay 32

Hình 3.10: Bộ quẹt thẻ 34

Hình 3.11: Sơ đồ kết nối cơ bản của bộ quẹt thẻ 34

Hình 4.1: Mô hình phân lớp MODBUS 35

Hình 4.2: Truyền thông MODBUS trên FX5 37

Hình 4.3: Sơ đồ kết nối Master - Slave 38

Hình 4.4: Sơ đồ trao đổi dữ liệu giữa 2 trạm tớ 39

Hình 4.5: Lưu đồ Master – Slave 47

Hình 4.6: Chương trình MODBUS của hệ thống 48

Hình 5.1: Cấu trúc của một hệ thống SCADA đơn giản 51

Hình 5.2: Cửa sổ InTouch Application Manager 54

Hình 5.3: Cửa sổ WindowMaker 54

Hình 5.4: Cửa sổ Wizard Selection 56

Hình 5.5: Wizard Buttons 57

Hình 5.6: Wizard Symbol Factory 57

Trang 10

Hình 5.7: Màn hình bắt đầu 58

Hình 5.8: Màn hình đăng nhập hệ thống 58

Hình 5.9: Giao diện điều khiển Hệ thống đóng cắt điện 59

Hình 5.10: Lưu đồ giải thuật trên PLC FX5U 61

Hình 5.11: Bộ điều khiển PLC FX5U và mô-đun RS-232 ADP 62

Hình 5.12: Cấu hình cho mô-đun RS-232 trên GX Work 3 62

Hình 5.13: Thông số cài đặt 485 Serial Port 63

Hình 5.14: Cài đặt chỉ IP cho Ethernet Port 63

Hình 5.15: Cài đặt cấu hình Ethernet 64

Hình 5.16: OPC Server 66

Hình 5.17: Cửa sổ giao diện của phần mềm OPC KEPServerEX 67

Hình 5.18: Thông số cài đặt Project 68

Hình 5.19: Thông số truyền thông của Project 68

Hình 5.20: Cửa sổ tạo Tag của KEPServerEX 69

Hình 5.21: OPC Quick Client 70

Trang 11

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Các khối và chức năng của PLC FX5U 32M 25

Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật đầu vào PLC FX5U 32M 26

Bảng 3.3: Các Model của Remote I/O 30

Bảng 3.4: Các bước thực hiện kiểm tra thông số truyền thông của Remote I/O 31

Bảng 3.5: Ý nghĩa thông số được hiển thị trên phần mềm kiểm tra 32

Bảng 4.1: Danh sách các chức năng chính MODBUS hỗ trợ 36

Bảng 4.2: Đặc điểm từng vùng của giao thức MODBUS 40

Bảng 4.3: Đặc điểm thông số tuân theo kiểu RTU 43

Bảng 4.4: Danh sách các chức năng chính MODBUS hỗ trợ 43

Bảng 4.5: Mô tả, phạm vi, kiểu dữ liệu 44

Bảng 4.6: Thiết bị cho phép 45

Bảng 4.7: Function code và Function Parameter 45

Bảng 5.1: Danh sách địa chỉ I/O của chương trình PLC 64

Bảng 5.2: Danh sách địa chỉ I/O của chương trình điều khiển 65

Trang 12

Chương 1: LỜI MỞ ĐẦU 1.1.Lý do chọn đề tài

Ngày nay việc sử dụng các thiết bị điều khiển tự động vào cuộc sống ngày càng được áp dụng rộng rãi PLC là một trong những thiết bị được sử dụng phổ biến nhất từ điều khiển tự động hóa công nghiệp, nhà thông minh đến điều khiển đóng cắt nhiều thiết bị điện và tự động trong điện tử, tin học, sinh học,…

Với mong muốn tìm hiểu cách cài đặt, lập trình và sử dụng PLC trong điều khiển tự động và các thiết bị, phần mềm tiên tiến đi kèm nhóm chúng em lực chọn đề tài: Thiết kế và lập trình hệ thống quản lý đóng cắt điện

Ngày nay khắp mọi nơi đều đã nhiều phương pháp ứng dụng công nghệ vào quản lý, giám sát đóng cắt điện và một trong số đó là mô hình quản lý mà nhóm em đang nghiên cứu và phát triển

1.2.Mục tiêu nghiên cứu

- Tìm hiểu về PLC FX5U Cấu trúc phần cứng và cách kết nối - Tìm hiểu cách hoạt động và thông số kỹ thuật của Remote I/O

- Tìm hiểu về phần mềm lập trình sử dụng cho PLC Cách cài đặt, ngôn ngữ và cấu trúc lập trình của Gxwork 3

- Tìm hiểu tổng quan về SCADA Phần mềm Wonderware Intouch

- Tìm hiểu được cách kết nối mạng truyền thông thông qua giao thức Master – Slave

- Vẽ được sơ đồ nối dây cho từng thiết bị và toàn hệ thống - Đấu nối và lập trình mô hình

- Thiết kế giao diện đơn giản, mô phỏng được hệ thống đóng cắt điện ứng dụng trong tòa nhà – khách sạn

1.3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu 1.3.1.1 Phần cứng

- Bộ điều khiển PLC FX5U - Remote I/O

Trang 13

1.4.Phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu tài liệu

- Đọc hiểu và nghiên cứu Datasheet của các thiết bị trong hệ thống - Vận dụng và kế thừa các tài liệu tham khảo, đề tài của các khóa trước - Thực hiện đề tài nhờ sự hướng dẫn và góp ý của giáo viên hướng dẫn

Trang 14

1.5 Một số hệ thống quản lý đóng cắt điện Hệ thống quản lý điện EziBee

Hình 1.1: Mô hình hệ thống quản lý điện EziBee

Hệ thống điều khiển điện EziBee qua phần mềm Intelio

Hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa đáp ứng việc quản lý kinh doanh khép kín tại khách sạn

Hệ thống điều khiển điện EziBee được các kỹ sư của Công ty CP Dịch vụ và Đầu tư Phát triển Công nghệ CBIS nghiên cứu và phát triển thành công Điểm nổi bật của hệ thống này là việc điều khiển đóng ngắt nguồn điện phòng thông qua phần mềm quản lý Intelio cài đặt trên máy tính và tự động tính toán doanh thu phòng Mọi thao tác được tự động hóa hoàn toàn với 2 thao tác bấm chuột cho mỗi giao dịch

Trang 15

Phần quan trọng trong hệ thống EziBee là phần mềm quản lý Intelio chịu trách nhiệm đóng ngắt điện tự động theo nghiệp vụ bộ phận lễ tân, tự động tính doanh thu phòng và các dịch vụ phát sinh, kiểm soát tiết kiệm điện năng sử dụng, thống kê doanh thu, tài chính theo ngày, tháng, quý, năm Intelio còn hỗ trợ quản lý từ xa qua Internet hoặc tự động gửi e-mail, tin nhắn về tình trạng phòng, doanh thu phòng, quỹ tiền mặt thu về

Hệ thống quản lý điện EziBee tích hợp với phần mềm quản lý Intelio để hoạt động trên nguyên tắc tự động hóa hoàn toàn Mọi thao tác giao dịch khi có khách đều phải thông qua phần mềm Nếu không qua phần mềm, phòng sẽ không được cấp điện để sử dụng

Phần cứng của hệ thống:

o Bộ điều khiển trung tâm EMS16

o Hệ thống kết nối với máy tính thông qua dây cáp mạng LAN

o thiết bị chịu tải (Solid state relay) nhận tín hiệu từ bộ điều khiển trung tâm EMS16

o Mỗi phòng chỉ dùng 01 thiết bị ESC 40A đấu nối với thiết bị trung tâm ESM16

Phần mềm của hệ thống: Phần mềm quản lý, giám sát Intelio Tính năng của hệ thống:

o Nhận thông tin đặt phòng từ điện thoại, email Xác định hạng phòng và số lượng phòng trống tương ứng

o Kiểm tra thông tin công ty đặt đã có trên phần mềm khách sạn hay chưa? Nếu đã có bạn chỉ cần chọn công ty hệ thống đưa ra thông tin đầy đủ về công ty đó

o Thu thập thông tin đại lý du lịch hoặc thông tin doanh nghiệp Cập nhật vào hệ thống

o Nhập đầy đủ thông tin đặt phòng, sau khi cập nhật thành công bạn in hoặc chuyển sang file pdf sau đó gửi confirmation form tới công ty hay đại lý du lịch đặt phòng

Trang 16

o Trường hợp khách hủy đặt phòng bạn chỉ cần bấm nút "Hủy đặt phòng" hệ thống sẽ không tính booking này vào bảng chiếm dụng phòng

o Sau khi đặt phòng thành công, hệ thống sẽ trừ đi số lượng phòng trống tương ứng với ngày đến, ngày đi của booking

o Hàng ngày bộ phận xếp phòng sẽ kiểm tra xem có booking nào cần xếp phòng lên sơ đồ Phần mềm khách sạn Intelio hỗ trợ công cụ tìm kiếm thông minh cho những booking Nhân viên xếp phòng chỉ cần bấm vào các booking cần xếp hệ thống tự động hiển thị danh sách phòng sẵn sàng tương ứng với hạng phòng trong booking

Bây giờ công việc còn lại chỉ cần chọn số phòng trong danh sách Sau khi xếp phòng toàn bộ trạng thái phòng xếp sẽ chuyển qua sơ đồ phòng tại bộ phận tiền sảnh và bộ phận buồng phòng

Điều khiển máy cắt từ xa thông qua RTU của Hệ thống SCADA

Như ta đã biết, hệ thống Giám sát Điều khiển và Thu thập dữ liệu (Supervisory Control and Data Acquisition - SCADA) đã và đang được sử dụng rộng rãi trong ngành điều độ hệ thống điện Tại các nhà máy điện, trạm biến áp đều được lắp đặt các thiết bị đầu cuối - điều khiển từ xa (Remote Terminal Unit - RTU) Các RTU được kết nối với trung tâm điều khiển (Control Center - CC) thông qua mạng liên lạc viễn thông

Trang 17

Hình 1.2: Sơ đồ mạch điện của máy cắt 572 của trạm 500kV Hà Tĩnh

 Nhìn chung, các RTU có các chức năng sau:

- Thu thập các thông tin về hệ thống điện và gửi về trung tâm điều khiển CC (Control Center) qua kênh truyền theo yêu cầu từ CC - Nhận các thông tin điều khiển, đồng bộ thời gian từ CC, thực hiện

 Các lệnh điều khiển từ xa mà RTU có thể thực hiện là:

- Các lệnh điều khiển đóng - mở máy cắt, dao cách ly, lệnh chuyển nấc của máy biến áp từ xa (Digital Remote Control)

- Các lệnh điều khiển liên tục từ xa (Analog Remote Control)

Trang 18

- Các lệnh đặt chế độ từ xa (Remote Setting)

Như ta đã thấy, tất cả các hệ SCADA đều được thiết kế để có thể thực hiện được việc điều khiển từ xa, nghĩa là Điều độ viên có thể từ bàn phím của máy tính chủ tại Trung tâm Điều khiển thực hiện lệnh điều khiển xa thông qua RTU tại Trạm điện để đóng/mở tự động các máy cắt, dao cách ly v.v Điều này một mặt phản ánh tính ưu việt của hệ thống ở mức tự động hóa cao, mặt khác nảy sinh những đòi hỏi khắt khe cả về mặt thiết kế lẫn vận hành trên quan điểm tin cậy và an toàn của hệ thống thiết bị

 Quá trình giám sát và thu thập dữ liệu trạng thái đóng/mở RS:

Trong khi hoạt động, RTU luôn luôn quét hỏi các trạng thái đóng/mở theo chu kỳ 10 - 20 ms Mỗi khi có một tiếp điểm của máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa v.v tại trạm điện chuyển trạng thái từ CLOSE sang OPEN hoặc ngược lại, hoặc bị INVALID thì tín hiệu lập tức được nhận biết và một tin báo “Change of state” kèm theo địa chỉ thiết bị, trạng thái hiện tại và thời điểm xảy ra được gửi qua MODEM đến trung tâm điều khiển CC

Trên màn hình console của điều độ viên và trên máy in sẽ hiện ra tin báo dạng: “8BS572 OPEN “và trên sơ đồ nhất thứ của màn hình console, ký hoạ tại vị trí tương ứng của máy cắt 572 sẽ chuyển sang trạng thái “mở”

 Điều khiển máy cắt từ xa thông qua RTU của hệ thống SCADA:

Để tăng cường tính bảo mật và độ an toàn của thao tác điều khiển máy cắt từ xa, trước khi đăng nhập được vào chế độ này máy tính chủ đòi hỏi điều độ viên phải nhập mật khẩu vào máy, sau đó mới thực hiện được lệnh yêu cầu điều khiển máy cắt từ xa

Trang 19

Hình 1.3: Nguyên lý điều khiển máy cắt từ xa thông qua RTU

Khi nhận được yêu cầu điều khiển xa từ máy tính chủ của Trung tâm điều khiển (CC- Control Center), RTU sẽ trả lời CC rằng có chấp nhận hay không sau khi thực hiện một số bước kiểm tra độ sẵn sàng của các trạng thái sau:

- Trạng thái của thiết bị phải là VALID và đang là OPEN (nếu muốn điều khiển CLOSE) hoặc phải là CLOSE (nếu muốn điều khiển OPEN)

- Trạng thái LOCAL/REMOTE (của khóa trong tủ RTU) phải ở vị trí REMOTE

- Trong hệ thống không được xuất hiện một cảnh báo nghiêm trọng nào dạng UNCERTAIN STATE hoặc 48VDC FAULT

Trang 20

Chương 2: XÂY DỰNG CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

2.1.Cấu trúc của hệ thống điều khiển

Hình 2.1: Cấu trúc cớ bản của hệ thống điều khiển giám sát

Trang 21

2.2 Mạng truyền thông trong công nghiệp

Hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty.

- Ranh giới giữa các cấp không phải bao giờ cũng rõ ràng

- Càng ở những cấp dưới thì các chức năng càng mang tính cơ bản hơn và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, và thời gian phản ứng

- Càng ở cấp trên quyết định càng quan trọng hơn, lượng thông tin cần trao đổi và xử lý càng lớn hơn

- Phân cấp tiện lợi hơn cho công việc thiết kế hệ thống

Trang 22

Các thiết bị, phần mềm sử dụng theo cấu trúc đã nêu ở trên: - Cấp quản lý thông tin:

o Relays AC/DC o Bóng đèn, bộ thẻ từ o Remote I/O

2.3 Cấu trúc điều khiển của hệ thống

- Hệ thống máy tính điều khiển: PC, PLC FX5U - Hệ thống điều khiển giám sát: Wonderware Intouch

- Hệ thống truyền thông: Các dây nối, rack truyền thông MODBUS, OPC server - Hệ thống bảo vệ: CB

Hình 2.3: Cấu trúc tổng quát của hệ thống quản lý đóng cắt điện

Trang 23

- SCADA sử dụng giao diện người - máy (HMI), sử dụng con người như là hệ thống điều khiển kiểm soát.

- Trong DCS thường hướng tới quá trình

- DCS tập trung vào quá trình kiểm soát và việc đưa thông tin tới người quản lý - Trong DCS, hệ thống điều khiển có vòng điều khiển quy trình khép kín tại thiết bị đầu cuối từ xa (RTU) hoặc các khối điều khiển logic khả trình (PLC).

Wonderware InTouch

OPC KEPServerEX

PLC Mitsubishi

Remote I/O

Trang 24

Chương 3: SƠ ĐỒ KẾT NỐI HỆ THỐNG QUẢN LÝ ĐÓNG CẮT ĐIỆN

3.1 Sơ đồ kết nối đấu dây của hệ thống

Nguyên lý hoạt động: Khi bất cứ một phòng nào của tầng được cho phép cấp nguồn thì OUT4 (OUT 8 hoặc OUT 12) sẽ cấp điện cho cuộn dây R4, đèn hành lang của cả tầng sẽ sáng toàn bộ Đồng thời ngõ ra tương ứng của phòng đó sẽ cấp điện cuộn dây nó điều khiển, khi cuộn dây có điện nó sẽ điều khiển sáng đèn Enable của phòng và cho phép người sử dụng kích hoạt bộ quẹt thẻ hoặc công tắc để cấp điện cho phòng và đèn status sáng báo điện đã được cấp vào phòng Khi phòng được cấp điện sẽ đưa tín hiệu thông báo về ngõ vào của bộ Remote I/O

Hình 3.1: Sơ đồ đấu dây cho mô hình

Trang 25

Hình 3.2: Hình ảnh mô hình hệ thống quản lý đóng cắt điện

Trang 26

3.2.PLC FX5U 32M

Hình ảnh, cấu tạo chung

Hình 3.3: PLC Mitsubishi FX5U 32M

Hình 3.4: Cấu tạo mặt trước của PLC Mitsubishi FX5U 32M

Bảng 3.1: Các khối và chức năng của PLC FX5U 32M

[1]

Built-in RS-485 khối thiết bị đầu cuối thông tin liên

lạc

Khối thiết bị đầu cuối để kết nối với các thiết bị RS-485 tương thích

[2] RS-485 thiết bị Chuyển để chuyển đổi kháng thiết bị đầu cuối cho xây

Trang 27

đầu cuối điện trở công tắc chọn

dựng trong giao tiếp RS-485

[3]

RUN / STOP / chuyển đổi thiết

đổi

Chuyển cho vô hiệu hóa truy cập vào thẻ nhớ SD khi thẻ là phải được loại bỏ

[5] Built-in analog I / O terminal block

Khối thiết bị đầu cuối sử dụng được xây dựng trong chức năng tương tự

[6] khe cắm thẻ nhớ

SD Khe để chèn một thẻ nhớ SD [7] nối board mở

rộng Kết nối để kết nối một hội đồng quản trị mở rộng

[8] kết nối mở rộng Kết nối để kết nối cáp mở rộng của một module mở rộng [9] đế pin Chủ để lưu trữ một pin

[10] nối pin Kết nối để kết nối một pin tùy chọn

Đặc điểm và thông số kỹ thuật đầu vào

Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật đầu vào PLC FX5U 32M

Dòng Điểm đầu

vào

Kiểu kết nối Các thiết bị đầu cuối có thể tháo rời

Tín hiệu dòng đầu

Từ X000 đến

X020 cho đến

Độ nhạy dòng đầu vào OFF 1.5 mA hoặc ít hơn

Trang 28

phản hồi đầu vào

X005 Từ X006 đến

Dạng sóng đầu vào

Từ X000 đến X005

ON: 2.5 s hoặc ít hơn OFF: 2.5 s hoặc ít hơn Từ X006 đến

X017

ON: 30 s hoặc ít hơn OFF: 50 s hoặc ít hơn

Kết nối PLC với Remote I/O

Sử dụng cổng Rs-485 có sẵn trên PLC FX5U để truyền thông với Remote I/O

Trang 29

Hình 3.5: Sơ đồ nối dây kết nối PLC với Remote I/O

Theo sơ đồ ta kết nối, chân V kết nối với nguồn 24VDC, chân G nối với 0V, chân A nối với RDA và SDA trên RS-485, chân B nối với RDB và SDB trên RS-485 trên PLC

Mục đích ứng dụng PLC Mitsubishi FX5U trong đề tài

- Đóng vai trò là Master trong hệ thống quản lý đóng cắt điện

- Gửi lệnh điều khiển xuống Remote I/O (Slave) để điều khiển đóng cắt Relays để cấp điện

- Nhận tín liệu phản hồi từ Remote I/O

- Nhận tín hiệu yêu cầu từ người điều khiển (máy tính)

Trang 30

3.3.Remote I/O Hình ảnh:

 Giao thức chuẩn MODBUS RTU

 Kết nối với đầu nối cảm biến, e-CON: tiết kiệm dây

 Kích thước nhỏ gọn, có thể lắp ở không gian hẹp, và lắp đặt trên thanh ray DIN

 Giám sát thời gian thực với nhiều chức năng khác nhau  Dễ dàng mở rộng:

- Có thể kết nối với 63 đơn vị cơ bản trên một đơn vị chủ - Có thể kết nối với 7 đơn vị mở rộng trên một đơn vị cơ bản

Trang 31

- Kết hợp các chi tiết kỹ thuật mong muốn của ngõ vào/ ngõ ra của các đơn vị ngõ vào/ ngõ ra khác nhau: Tổ chức hệ thống điện và truyền thông bằng đường dây cáp truyền thông

- Độ tin cậy cao: tích hợp tăng áp, ngắn mạch, quá nhiệt, phân cực ngược và mạch ngăn tĩnh

Bảng 3.3: Các Model của Remote I/O

10-28VDC NPN kiểu đầu vào- 8 điểm (10mA/ điểm)

ARM- DI08P- 4S

ARX- DI08P- 4S

10-28VDC PNP kiểu đầu vào- 8 điểm (10mA/ điểm)

ARM- DO08N- 4S

ARX- DO08N- 4S

10-28VDC NPN kiểu đầu ra- 8 điểm (0.3mA/ điểm)

ARM- DO08P- 4S

ARX- DO08P- 4S

10-28VDC PNP kiểu đầu ra- 8 điểm (0.3mA/ điểm)

Kết nối Remote I/O điều khiển Relay

Hình 3.7: Kết nối ngõ vào và ngõ ra của Remote I/O với các Relay

- Trên hình là sơ đồ đấu dây điều khiển các Relay DC của 1 tầng bằng Remote I/O

Trang 32

- Đối với mô-đun ngõ ra (ARM-DO08P-4S), ta nối chân số 4 với chân dương của cuộn dây, chân số 3 với chân âm của cuộn dây, khi ta điều khiển ngõ ra có điện thì cuộn dây của Relay DC tương ứng có điện

- Tiếp điểm thưởng hở (N-O) của relay DC sẽ đóng, điều khiển các đèn hành lang, bộ thẻ từ, cuộn dây Relay AC, đèn Enable, đèn Status trong hệ thống - Khi công tắc hoặc bộ thẻ từ tương ứng có điện (cảm ứng do thẻ) thì cuộn dây

Relay AC đóng lại, thường hở của Relay AC đóng, tín hiệu sẽ được đưa vào cổng tương ứng trên mô-đun ngõ vào của Remote I/O (ARX-DI08P-4S), đồng thời điện sẽ được cấp cho phòng

Mục đích ứng dụng của Remote I/O trong đề tài

- Đóng vai trò là Slave trong hệ thống điều khiển - Nhận lệnh điều khiển từ PLC để điều khiển Relays

- Gửi tín hiệu thông báo trạng thái của thiết bị về lại PLC (Master)

Kiểm tra thông số truyền của Remote I/O

Bảng 3.4: Các bước thực hiện kiểm tra thông số truyền thông của Remote I/O

3 Mở phần mềm Serial Comn Test

4 Chọn các thông số cần test như kiểu truyền thông, cổng sử dụng, tốc độ truyền, địa chỉ Slave,…

5 Ghi nhận lại thông số truyền thông của Remote I/O sau khi test

Trang 33

Hình 3.8: Thông số truyền thông của Remote I/O được thể hiện qua phần mềm GE IP Serial Communication Test

Bảng 3.5: Ý nghĩa thông số được hiển thị trên phần mềm kiểm tra

Hình 3.9: Hình ảnh và sơ đồ chân của Relay

Trang 34

Nguyên lý hoạt động: Khi có nguồn cấp vào cuộn dây của relay, sinh ra tác động từ hút làm thay đổi trạng thái các tiếp điểm Từ thường hở thành thường đóng Từ đó cho dòng điện đi qua tiếp điểm thường hở và ngắt dòng bên tiếp điểm thường đóng

- Điện áp định mức: 24 VDC

- Số chân: 8 chân Chân 13-14 cấp điện cho cuộn dây, 9-5 và 12-8 là cặp tiếp điểm thường hở, 9-1 và 12-4 là cặp tiếp điểm thường đóng

Mục đích sử dụng của Relay trong đề tài

- Được Remote I/O cấp điện khi có tín hiệu điểu khiển tương ứng để điều khiển cấp điện cho tải

Trang 35

3.5.Bộ quẹt thẻ

Hình 3.10: Bộ quẹt thẻ

Hình 3.11: Sơ đồ kết nối cơ bản của bộ quẹt thẻ

Chức năng:

- Chân IN được cấp nguồn 220V

- Chân OUT được kết nối tới các chân của tải rồi sau đó quay trở lại âm nguồn - Chân N được kết nối với các tải và nguồn âm của hệ thống

- Bộ quẹt thẻ như một Relay dùng để đóng cắt điện Khi quẹt thẻ vào tạo thành một mạch kín cho phép điện được cấp vào phòng

- Để vận hành công tắc, khách hàng chỉ cần chèn thẻ chìa khóa vào khe cắm khi vào phòng để thông nguồn cho phòng và sau đó tháo ra để rời khỏi

Mục đích sử dụng của bộ quẹt thẻ trong để tài: - Đóng vai trò như công tắc để cấp điện cho tải

Trang 36

Chương 4: LẬP TRÌNH TRUYỀN THÔNG MODBUS RTU CHO PLC MITSUBISHI FX5U 4.1 Giới thiệu MODBUS

Cuối những năm 1970, Gould Modicon phát triển giao thức MODBUS MODBUS được đặt ở lớp 7 của mô hình OSI và hỗ trợ truyền thông Chủ/Khách giữa các PLC Modicon và các thiết bị mạng khác Giao thức MODBUS định nghĩa các phương pháp cho một PLC truy cập một PLC khác, cho một PLC đáp ứng lại các thiết bị gửi yêu cầu kết nối, và biện pháp cho phát hiện và báo lỗi Giao thức này hỗ trợ các giao thức khác như truyền thông bất đồng chủ/tớ, Modicon MODBUS Plus và Ethernet Nhằm lợi dụng các công cụ hỗ trợ, phần cứng và các phần mềm được sử dụng cho mạng Internet MODBUS/TCP cũng được phát triển MODBUS cũng dựa trên mô hình OSI phần lớp được minh họa như hình sau

Hình 4.1: Mô hình phân lớp MODBUS

Trang 37

4.2 Các chức năng của MODBUS

Tất cả các chức năng của hỗ trợ bởi giao thức MODBUS được nhận dạng bởi các chỉ số Chúng được thiết kế như các lệnh điều khiển cho các thiết bị đo lường và điều khiển, chúng bao gồm các nhóm chức năng sau:

- Nhóm lệnh điều khiển cuộn dây dùng cho việc đọc và đặt cho cuộn dây đơn hoặc nhóm các cuộn dây

- Nhóm lệnh điều khiển nhập cho việc đọc trạng thái nhập của một nhóm các ngõ vào

- Nhóm lệnh điều khiển đăng ký cho việc đọc và đặt một hoặc nhiều hơn thanh ghi dữ liệu

- Nhóm chức năng kiểm tra chuẩn đoán báo cáo - Nhóm chức năng lập trình

- Nhóm chức năng điều khiển hỏi vòng - Chức năng Reset

Bảng 4.1: Danh sách các chức năng chính MODBUS hỗ trợ

Mã chức

Số thiết bị trên mỗi gói tin 01H Đọc cuộn dây Đọc thiết bị nhị phân (R/W) 1 đến 2000 thiết bị 02H Đọc ngõ vào Đọc thiết bị nhị phân (RO) 1 đến 2000 thiết bị 03H Đọc thanh ghi Đọc thanh ghi 16 bit (R/W) 1 đến 125 thiết bị 04H Đọc thanh ghi

ngõ vào Đọc thanh ghi 16 bit (RO) 1 đến 125 thiết bị 05H Viết vào cuộn

dây đơn Viết vào một thiết bị nhị phân 1 thiết bị 06H Viết vào thanh

Trang 38

4.3.Đặc điểm chung của truyền thông nối tiếp MODBUS Cấu trúc mạng MODBUS RTU

Chức năng truyền thông nối tiếp MODBUS trên FX5 có thể điều khiển 32 slave với truyền thông RS-485 và 1 slave với truyền thông RS-232C bằng 1 Master

- Chức năng Master và Slave được hỗ trợ và có thể được mô phỏng bởi 1 FX5 - Có thể tăng thêm 4 kênh cho truyền thông nối tiếp MODBUS bằng 1 mô-

đun CPU

- Master sử dụng một PLC để ra lệnh cho MODBUS và điều khiển Slave - Giao thức truyền thông hỗ trợ chế độ RTU

Hình 4.2: Truyền thông MODBUS trên FX5

Quản lý đường truyền Master/Slave

Master MODBUS là các thiết bị có khả năng đọc được dữ liệu từ các thiết bị Slave Các Master chính là PLC , PC , DCS …Khi cần một một thông tin Master gửi một thông điệp xuống tất cả các slave nhưng chỉ có một slave nhận được thông tin

Slave MODBUS là các thiết bị đo lường hoặc các thiết bị điều chấp hành như : cảm biến nhiệt độ , cảm biến áp suất , van điều khiển , thiết bị đo công suất điện năng …Khi được Master gọi thì các Slave truyền thông tin tới Master

Trang 39

Hình 4.3: Sơ đồ kết nối Master - Slave

Trao đổi dữ liệu trong mạng MODBUS RTU

Trong phương pháp chủ/tớ, một trạm chủ (master) có trách nhiệm chủ động phân chia quyền truy nhập bus cho các trạm tớ (slave) Các trạm tớ đóng vai trò bị động, chỉ có quyền truy nhập bus và gửi tín hiệu đi khi có yêu cầu Trạm chủ có thể dùng phương pháp hỏi tuần tự (polling) theo chu kỳ để kiểm soát toàn bộ hoạt động giao tiếp của cả hệ thống Nhờ vậy, các trạm tớ có thể gửi các dữ liệu thu thập từ quá trình kỹ thuật tới trạm chủ (có thể là một PLC, một PC, v.v ) cũng như nhận các thông tin điều khiển từ trạm chủ

Trong một số hệ thống, thậm chí các trạm tớ không có quyền giao tiếp trực tiếp với nhau, mà bất cứ dữ liệu cần trao đổi nào cũng phải qua trạm chủ Nếu hoạt động giao tiếp diễn ra theo chu kỳ, trạm chủ sẽ có trách nhiệm chủ động yêu cầu dữ liệu từ trạm tớ cần gửi và sau đó sẽ chuyển tới trạm tớ cần nhận Trong trường hợp một trạm tớ cần trao đổi dữ liệu bất thường với một trạm khác phải thông báo yêu cầu của mình khi được trạm chủ hỏi đến và sau đó chờ được phục vụ

Trang 40

Trình tự được tham gia giao tiếp, hay trình tự được hỏi của các trạm tớ có thể do người sử dụng qui định trước (tiền định) bằng các công cụ tạo lập cấu hình Trong trường hợp chỉ có một trạm chủ duy nhất, thời gian cần cho trạm chủ hoàn thành việc hỏi tuần tự một vòng cũng chính là thời gian tối thiểu của chu kỳ bus Do vậy, chu kỳ bus có thể tính toán trước được một cách tương đối chắc chắn Đây chính là một trong những yếu tố thể hiện tính năng thời gian thực của hệ thống

Phương pháp chủ/tớ có một ưu điểm là việc kết nối mạng các trạm tớ đơn giản, đỡ tốn kém bởi gần như toàn bộ “trí tuệ” tập trung tại trạm chủ Một trạm chủ thường lại là một thiết bị điều khiển, vì vậy việc tích hợp thêm chức năng xử lý truyền thông là điều không khó khăn

Một nhược điểm của phương pháp kiểm soát tập trung chủ/tớ là hiệu suất trao đổi thông tin giữa các trạm tớ bị giảm do phải dữ liệu phải đi qua khâu trung gian là trạm chủ, dẫn đến giảm hiệu suất sử dụng đường truyền Nếu hai trạm tớ cần trao đổi một biến dữ liệu đơn giản với nhau (một PLC có thể là trạm tớ), thì trong trường hợp xấu nhất thời gian đáp ứng vẫn có thể kéo dài tới hơn một chu kỳ bus Một biện pháp để cải thiện tình huống này là cho phép các trạm tớ trao đổi dữ liệu trực tiếp trong một chừng mực được kiểm soát

Hình 4.4: Sơ đồ trao đổi dữ liệu giữa 2 trạm tớ

4.4 Giao thức mạng MODBUS RTU Cấu trúc giao thức MODBUS

Cấu trúc giao thức MODBUS trình bày cấu trúc gói tin(lấy ví dụ hàm dược