Nghiên cứu và chế tạo thiết bị hỗ trợ điều tiết phụ tải công nghiệp kết hợp phần mềm mã nguồn mở Rapid Scada

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THANH LIỄU NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ HỖ TRỢ ĐIỀU TIẾT PHỤ TẢI CÔNG NGHIỆP KẾT HỢP PHẦN MỀM MÃ NGUỒN MỞ RAPID SCADA C C R L T DU Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 8520216 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đà Nẵng - Năm 2020 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS Ngơ Đình Thanh Phản biện 1: Phản biện 2: TS Thạch Lễ Khiêm PGS TS Lê Tiến Dũng C C Luận văn bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển Tự động hoá học trường đại học bách khoa vào ngày 19 tháng 12 năm 2020 R L T DU Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm học liệu Truyền thông - Đại học bách khoa ĐHĐN - Thư viện khoa Điện, Trường đại học bách khoa - ĐHĐN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Nâng cao chất lượng điện giảm tổn thất lượng vấn đề quan tâm hàng đầu ngành Điện doanh nghiệp sử dụng điện Chất lượng điện thể qua đại lượng như: điện áp, tần số, sóng hài, độ nhấp nháy điện áp… Điều không riêng nhà sản xuất thiết bị điện, ngành điện mà người sử dụng điện cho sản xuất cần nguồn điện có chất lượng nhằm đảm bảo cho nhà máy hoạt động ổn định, nâng cao tuổi thọ thiết bị nâng cao chất lượng sản phẩm đầu Để quản lý chất lượng điện áp phía điện lực thực nhiều giải pháp đầu tư nâng cấp lưới điện, lắp đặt hệ thống tụ bù trung, hạ áp… Còn doanh nghiệp sản xuất vừa nhỏ chưa thật đầu tư mức, chưa có hệ thống tự động giám sát chất lượng điện lượng sử dụng nhà máy, thực trạng doanh nghiệp chủ yếu giám sát số liệu thủ công nên chưa kịp thời độ xác khơng cao, dẫn đến trường hợp tổn thất lượng lớn lượng tiêu thụ điện bất thường không phát cảnh báo kịp thời Điều dẫn đến chi phí sản xuất tăng cao Vậy làm để doanh nghiệp chủ động giám sát chất lượng điện quản lý lượng hiệu biết nhu cầu thực trạng sử dụng điện doanh nghiệp Đối với nguồn điện C C R L T DU cung cấp phục vụ cho sản xuất chia làm hai nhánh quản lý Điện lực quản lý đến công tơ trạm biến áp doanh nghiệp quản lý từ sau công tơ đo đếm đến phụ tải sản xuất nhà máy Về phía Điện lực lắp đặt thiết bị thu thập số liệu đo trạm biến áp (30 phút lần thu thập) như: dịng điện, điện áp, cơng suất tiêu thụ Về phía doanh nghiệp vừa nhỏ chưa có giải pháp tốt để giám sát chất lượng điện tình hình sử dụng lượng điện tình trạng vận hành hệ thống tụ tù nhà máy Chính điều mà chi phí tiền điện tăng cao đột biết doanh nghiệp hồn tồn bị động khó chấp thuận toán tiền điện, gây trở ngại cho điện lực việc giải thích thu tiền phạt cơng suất phản kháng Trước khó khăn thách thức trên, ta thấy cần thiết nghiên cứu chế tạo thiết bị giám sát chất lƣợng điện thu thập liệu lƣợng đáp ứng yêu cầu nhằm giúp doanh nghiệp theo dõi, giám sát thông số tiêu thụ lượng điện sản xuất hướng đến hỗ trợ tự động điều tiết phụ tải việc triển khai thực chương trình điều chỉnh phụ tải (DR) ngành điện Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu nhu cầu sử dụng điện nhà máy chế biến gỗ Thiên Tâm, đưa giải pháp quản lý, sử dụng lượng tiết kiệm cho nhà máy Nghiên cứu thuật tốn thu thập thơng số điện giám sát trạng thái hoạt động hệ thống tụ bù nhà máy Ứng dụng thuật tốn kiểm lỗi CRC giao thức Modbus RTU Thiết kế phần cứng thu thập liệu tiêu thu điện trạng thái hoạt động nhà máy Nghiên cứu kết nối truyền thơng lập trình ứng dụng phần mềm mã nguồn mở Rapid Scada để giám sát thông số hoạt động Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu lập trình giao thức truyền thông sử dụng hệ thống giám sát công nghiệp lập trình ứng dụng phần mềm mã nguồn mở Rapid Scada để giám sát thông số hoạt động Trong đề tài tập trung nghiên cứu chế tạo thiết bị thu thập giám sát thông số tiêu thụ lượng, trạng thái đóng cắt thiết bị hỗ trợ điều tiết phụ tải công nghiệp Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: + Nghiên cứu tổng quang tình hình sử dụng điện sản xuất công nghiệp + Nghiên cứu tổng quan hệ thống thu thập giám sát liệu từ xa + Nghiên cứu lập trình giao thức truyền thông sử dụng hệ thống giám sát công nghiệp xưởng sản xuất C C R L T DU + Nghiên cứu lập trình ứng dụng phần mềm mã nguồn mở Rapid Scada để giám sát thông số hoạt động - Nghiên cứu thực nghiệm: + Tạo sản phẩm thu thập giám sát thông số tiêu thụ lượng điện từ xa + Lắp đặt vận hành cho nhà máy chế biến gỗ Thiên Tâm, thu thập liệu đánh giá dộ tin cậy Ý nghĩa khoa học thực tiễn Kết đề tài ứng dụng vào thực tiễn triển khai chương trình tiết giảm phụ tải EVN Nâng cao khả giám sát hoạt động hệ thống điện nhà máy sản xuất doanh nghiệp, tiết kiệm điện Giúp khách hàng chủ động biết quản lý thông tin chi tiết sử dụng điện chi phí mua điện Thông qua hệ thống giám sát giúp khách hàng sớm phát hiện tượng vận hành bất thường thiết bị Có thể mở rộng việc điều khiển giám sát tất thiết điện dây chuyền sản Giải pháp cung cấp thiết bị giám sát hoạt động giá rẻ cho thị trường Chƣơng - TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG ĐIỆN TRONG SẢN XUẤT CƠNG NGHIỆP HIỆN NAY 1.1 Tình hình cung ứng điện Ngành điện nay: Ngành điện với khó khăn thách thức tình hình nay: Hiện nay, tổng công suất nguồn điện Việt Nam khoảng 48.000 MW Với tốc độ tăng trưởng sản lượng điện khoảng 10%/năm (theo Quy hoạch điện VII điều chỉnh) đến năm 2025, dự kiến nhu cầu công suất nguồn điện hệ thống điện quốc gia 90.000 MW, gấp đôi Đến năm 2030, tăng lên khoảng 130.000 MW Theo kinh nghiệm giới, phát triển lượng tái tạo, vấn đề truyền tải điện tính đến Cịn thực tế Việt Nam, hệ thống lưới điện hữu khó hấp thụ hết số công suất sản lượng điện mặt trời với tốc độ nhà máy vào vận hành nói lớn giới Như vậy, lượng tái tạo chưa thể thay lượng truyền thống mà góp phần quan trọng việc đảm bảo điện nói chung, nên Việt Nam cần phát triển điện than, điện khí; cần siết chặt trách nhiệm từ phía sử dụng điện để giảm bớt áp lực đầu tư nguồn điện C C R L T DU 1.2 Cung ứng điện cho phụ tải công nghiệp: Với tốc độ tăng trưởng công nghiệp nước ta thời gian qua cao Chính nhờ việc cung cấp điện liên tục, ổn định, chất lượng điện tốt giá điện rẻ, không phân biệt đối tượng bán điện doanh nghiệp nước hay doanh nghiệp nước ngoài, nên dịng vốn đầu tư từ nước ngồi vào Việt Nam tăng mạnh, góp phần thúc đẩy cơng nghiệp nước phát triển 1.3 Sủ dụng điện Doanh nghiệp Việt Nam Kết khảo sát từ số doanh nghiệp trọng điểm sử dụng lượng cho thấy năm qua sau có hành lang pháp lý sử dụng lượng tiết kiệm hiệu quả, doanh nghiệp lưu tâm bắt đầu triển khai nội dung thực tiết kiệm lượng doanh nghiệp Đầu tư thực giải pháp tiết kiệm lượng doanh nghiệp thực tương đối hiệu Tuy nhiên số doanh nghiệp nhìn nhận chưa đắn nên kết thực khiêm tốn 1.4 Phụ tải công nghiệp thách thức việc giám sát hoạt động hệ thống tiêu thụ lƣợng Doanh nghiệp: Quản lý lượng tiêu thụ Doanh nghiệp hoạt động nhằm đánh giá thực trạng hoạt động hệ thống tiêu thụ lượng Từ xác định khu vực sử dụng lượng lãng phí để đưa giải pháp nhằm sử dụng lượng hiệu Quản lý lượng giúp doanh nghiệp xác định khuynh hướng tiêu thụ lượng tiềm tiết kiệm lượng loại thiết bị khác như: Động cơ, máy bơm, hệ thống thơng gió, điều hồ khơng khí, Tuy nhiên, công tác giám sát sử dụng điện quản lý lượng doanh nghiệp thường gặp phải nhiều thách thức Đề tài xây dựng để giúp đáp ứng yêu cầu giải vấn đề khách hàng doanh nghiệp liên quan đến chất lượng điện giúp doanh nghiệp chủ động biết tiêu thụ điện bất thường theo thời gian thực, cho phép nhà máy vận hành sử dụng lượng tối ưu, tiết kiểm hiệu hướng đến hỗ trợ điều tiết phụ tải, nhu cầu sử dụng lượng C C DU R L T Chƣơng - THIẾT KẾ THIẾT BỊ THU THẬP DỮ LIỆU NĂNG LƢỢNG VÀ GIÁM SÁT TRẠNG THÁI HOẠT ĐỘNG Trong bối cảnh kinh tế - xã hội phát triển nay, nhu cầu sử dụng điện nước ngày tăng cao, nhà máy điện phải chạy hết công suất lượng điện truyền tải liên tục mức đỉnh hệ thống lưới điện Cùng với tình trạng đồ thị phụ tải không đồng đều, phụ tải cao điểm thấp điểm chênh lệch cao Vì để đảm bảo đủ điện sản xuất, sinh hoạt cho nhân dân, hàng năm ngành Điện phải bỏ lượng kinh phí lớn để xây dựng nguồn điện nhằm đáp ứng nhu cầu phụ tải Bên cạnh việc làm để doanh nghiệp giám sát tình hình sử dụng lượng điện sản xuất, bảo đảm tiết kiệm điện hiệu kinh tế vấn quan trọng Hiện thực tế có số giải pháp giám sát lượng nhà máy sản xuất chưa thật hiệu chi phí cao Từ khó khăn, thách thức trên, đề tài đề xuất, nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị giúp cho doanh nghiệp giám sát sử dụng lượng sản xuất, phù hợp với hạ tầng thiết bị có mà khơng ảnh hưởng nhiều đến hoạt động sản xuất kinh doanh doanh nghiệp vừa đáp ứng nhu cầu quản lý phụ tải cho lưới điện phân phối ngành điện C C R L T DU Đề tài hướng đến mục tiêu thiết kế, xây dựng hệ thống giám sát chất lượng điện năng, thu thập thông số lượng, giám sát trạng thái vận hành tụ bù nhà máy thông qua việc thu thập số liệu từ relay điều khiển tủ tụ bù hướng đến hỗ trợ điều tiết phụ tải từ xa phục vụ cho chương trình quản lý nhu cầu điện Ngành điện sau: - Nghiên cứu chế tạo thiết bị hỗ trợ điều tiết phụ tải công nghiệp kết hợp phần mềm mã nguồn mở Rapid Scada - Thiết bị tích hợp phần giám sát trạng thái làm việc hệ thống contactor so sánh với tín hiệu từ Relay điều khiển tụ bù - Sử dụng phần mềm mã nguồn mở Scada, lập trình để thu thập số liệu phục vụ để khách hàng theo dõi tình hình sử dụng lượng - Triển khai lắp đặt thử nghiệm cho nhà mày chế biến gỗ Thiên Tâm, xã Thăng Hưng, huyện Chư Prông, tỉnh Gia Lai - Phân tích đáng giá độ tin cậy thiết bị giám sát sau lắp đặt vận hành trực tiếp nhà máy chế biến gỗ Thiên Tâm 2.1 Thiết kế phần cứng: Relay Nguồn Cloud TI Máy chủ Module 3G Contacter Tải nhà máy Tủ tụ bù Module Hình 2.1 Sơ đồ giải pháp quản lý lượng Qua sơ đồ ta thấy để lấy thơng số đo đếm lượng (dịng điện, điện áp, cosφ…) ta cần truy xuất giá trị từ điểu khiển tụ bù, sử dụng giao thức truyền thông để C C R L T chuyển liệu module giám sát, để giám sát trạng thái đóng cắt tất contactor tụ bù cần thiết kế module ghi nhận trạng thái vận hành Sau thu thập liệu từ điều khiển tụ bù trạng thái contactor module thực nhiệm vụ truyền liệu lên đám mây thông qua thiết bị 3G Tại máy chủ cài đặt phần mềm SCADA DU kết nối truyền thông với đám mây thu thập số liệu lượng, thực lưu trữ liệu thông qua hình kiểm tra số liệu vận hành trạng thái đóng cắt contactor tụ bù 2.1.1 Chọn điều khiển tụ bù phù hợp cho hệ thống trên: Bộ điều khiển công suất phản kháng DUCATI thiết kế để kiểm soát ngân hàng tụ điện nhằm bù công suất phản kháng Nó hoạt động sở cơng nghệ vi xử lý, cung cấp phép đo hệ số công suất xác, đáng tin cậy Hệ số cơng suất Hình 2.2 Bộ điều khiển kiểm soát cách chuyển đổi tụ điện theo tụ bù R8 yêu cầu cơng suất phản kháng tải Bộ điều khiển có chế độ vận hành tự động tay, tích hợp cổng RS485 để giao tiếp với thiết bị khác 2.1.2 Tính chọn điều khiển trung tâm: Bộ điều khiển STM32F4 xử lí hệ đưa kiến trúc chuẩn, mang lại cân tốt mức tiêu thụ lượng hiệu suất xử lý STM32 F4 mục đích đặc biệt hệ thống máy tính thiết kế để thực một vài chức chuyên dụng thường với máy tính thời gian thực ràng buộc để kiểm sốt q trình vật lý giới thực STM32F4 cho nhu cầu đa dạng cơng nghệ Gồm có phân nhánh chính: dịng A dành cho ứng dụng cao cấp, dòng R dành cho ứng dụng thời gian thực nhu đầu đọc dòng M dành cho ứng dụng vi điều khiển chi phí thấp Một số thơng số mạch STM32  Hiệu năng: lên tới 100Mhz, cung cấp hiệu suất 125DMIPS/339 CoreMark  Hiệu suất lượng: xử lý 90nm, gia tốc ART thang đo công suất động cho phép mức tiêu thụ thực thi mức thấp  Tích hợp: STM32F411 có 256-512Kb nhớ Flash tối đa 128Kb SRAM  3xUSART chạy với tốc độ lên tới 12.5Mb/s  5xI2C chạy với tốc độ lên tới 1Mb/s  1XSDIO chạy với tốc độ lên với 48Mb/s  1xUSB 2.0 OTG  2xI2S song công 32bit/19.2Khz C C  12 bit ADC 2.4MSPS R L T  11 timer 16 32 bit DU 2.1.3 Nguồn nuôi hệ thống: Nguồn chiều phần thiếu thiết kế mạch điện tử Đề tài chọn nguồn cơng nghiệp Phonix Contact 24VDC-60W Hình 2.3 Mạch vi điều khiển STM32F411 Thơng số kỹ thuật chính:  Thơng số đầu vào  Dải điệp áp vào : 85VAC-264VAC  Tần số : 50Hz…60Hz 5Hz  Dòng tiêu thụ : 1A(120VAC ); 0,6A (230VAC)  Cầu chì : 2,5A  Thông số đầu  Điện áp đầu : 24VDC  Dịng đầu : 2,5A Hình 2.4 Nguồn nuôi UNO-PS  Công suất : 60W 2.1.4 Bộ lọc sóng: Đề tài chọn lọc sóng hài ZSG2215-11 Nếu hệ thống điện có nhiều tải phi tuyến sóng hài sinh tải phi tuyến làm giảm chất lượng điện năng, giảm tuổi thọ động cơ, gây phát nóng, tiếng ồn lớn Hình 2.5 Nguồn nuôi UNO-PS lỗi thiết bị Với phụ tải quang trọng, sóng hài cịn gây việc dừng đột ngột thiết bị Để xử lý sóng hài gây phụ tải phi tuyến lọc sóng hài ZSG2215-11 thực tốt việc Thơng số kỹ thuật chính:  Điệp áp vào : 250 VAC  Dòng điện : 15A  Tần số : 50Hz…60Hz + Nhiệt độ 5Hz o : 40 C Hình 2.6 Module sim 2.1.5 Lựa chọn Module GPRS/3G: F2103 Đề tài chọn Module sim công nghiệp F2103, loại thiết bị đầu cuối di động cung cấp chức truyền liệu mạng GPRS cơng cộng Nó sử dụng CPU 16/32 bit công nghiệp công suất cao hệ điều hành nhúng thời gian thực Các đặc trưng: - Thiết kế cho ứng dụng công nghiệp + Module di động công nghiệp hiệu suất cao + CPU 16/32bit công nghiệp C C R L T DU + Hỗ trợ chế độ tiêu thụ thấp + Vỏ hộp : sắt, bảo vệ IP30 + Dải điện áp : 5-30VDC 2.1.6 Giao thức truyền thông Bất kết nối cần ngôn ngữ chung cho đối tượng để giao tiếp Trong đề tài sử dụng loại giao thức như: Modbus RTU, Modbus TCP giao thức MQTT 2.1.7 Thiết kế module thu thập thông số hệ thống điện 2.1.7.1 Cấu trúc module thu thập Module thập thập có nhiệm vụ thu thập liệu từ điều khiển tụ bù trạng thái Contacter thông qua truyền thông modbus RTU đồng thời truyền thông với module sim F2103 để đưa liệu vừa thu thập lên cloud POWE R Vi điều trung tâm RS48 O U T P U T INPUT Hình 2.7 Sơ đồ khối module thu thập 10 - Webstation: ứng dụng web, dùng để hiển thị thông tin cho điều phối thơng qua trình duyệt dạng khác (dạng bảng, sơ đồ, sơ đồ khối, báo cáo) cung cấp lệnh gửi - Sever application: Máy chủ quản lý lưu trữ liệu, thực phép tính tốn học cung cấp thơng tin cho ứng dụng khác Máy chủ ghi liệu vào kho lưu trữ tạo lưu đồng thờ, khơng có giao diện người dùng Máy chủ hoạt động liên tục người dùng đăng nhập đăng xuất - Ứng dụng giám sát kết nối người dùng kiểm tra quyền người dùng xử lý yêu cầu truyền lệnh Thông tin trạng thái ứng dụng hành động thực lưu trữ tệp nhật ký văn Máy chủ thiết kế để chạy không ngừng - Các module máy chủ bổ sung cho phép mở rộng chức máy chủ theo yêu cầu C C - Communicator tương tác với điều khiển truyền liệu tới ứng dụng máy chủ Thực nhận liệu tại, lưu trữ liệu, kiện từ điều khiển gửi lệnh đến điều khiển Ứng dụng giúp khắc phục cố với đường truyền thiết bị Ngoài Communicator làm việc dịch vụ thiết kế để chạy không ngừng - Administrator Application: Ứng dụng Quản trị viên dành cho việc phát triển dự án SCADA R L T DU - Table Editor Application: Ứng dụng trình chỉnh sửa bảng thiết kế để tạo chế độ xem bảng hiển thị máy người vận hành - Scheme Editor Application: Ứng dụng Scheme Editor thiết kế để tạo lược đồ hiển thị máy người vận hành MQTTCloud Subcriber DUCATI R8 Module F2103 Modbus RTU Tụ bù Rapid SCADA Modbus MQTT Subcriber Thiết bị thu thập Hình 2.2 Giải pháp thu thập giám sát lượng 11 2.2.3 Lập trình phần mềm: Trên sở lựa chọn phương án phần cứng trình bày mục 2.1, đề tài tiến hành xây dựng giải thuật truyền thông module thu thập liệu lượng với relay tụ bù module GPRS F2103 - Lưu đồ thuật tốn truyền thơng: Bắt Khỏi tạo ngoại vi UART Timer I2C Thiết kế khung truyền Modbus Thiết kế khung truyền Gửi yêu cầu Modbus Gửi khung truyền tới F2103 Sai Đúng C C Kiểm tra byte CRC R L T Ghép liệu DU Hình 2.3 Lưu đồ thuật tốn Để thiết bị thiết kế thực nhiệm vụ kết nối thu thập thông số trạng thái hoạt động contacter tụ bù, đề tài thực lập trình code theo lưu đồ thuật toán sau: - Bước 1: Khởi tạo ngoại vi gồm: UART, Timer, I2C GPIO + UART dùng để tạo đường truyền cho giao thức Modbus RTU + Timer dùng để định thời gian (thời gian gửi khung truyền, tính công suất tiêu thụ) + I2C dùng để làm việc với module thời gian thực + GPIO dùng để hiển thị đèn nhận tín trạng thái từ contacter - Bước 2: Thiết lập khung truyền Mudbus RTU để lấy số liệu từ điều khiển tụ bù - Bước 3: Thực gửi liệu chờ nhận liệu phản hồi - Bước 4: CRC thực nhiệm vụ kiểm tra thông tin phản hồi, trình kiểm tra lặp lặp lại để bảo đảm liệu bảo toàn xác - Bước 5: Thực ghép liệu, sau khung truyền liệu phản hồi thực tách ghép liệu để lấy thông số cần - Bước 6: Thiết lập khung truyền cho MQTT để gửi liệu lên Cloud - Bước 7: Khung truyền MQTT gửi qua module F2103 F2103 định sẵn địa domain server mà thiết bị kết nối tới 12 Chƣơng 3- PHƢƠNG PHÁP GIÁM SÁT, HỖ TRỢ ĐIỀU TIẾT PHỤ TẢI CÔNG NGHIỆP Qua thực tế sản xuất cho thấy dây chuyền sản xuất doanh nghiệp nhiều thiết bị hoạt động non tải, thiết bị sử dụng dây chuyền sản xuất không đồng dẫn tới hiệu suất sử dụng chưa cao chủ doanh nghiệp chưa kiểm soát Ngày nay, việc giám sát chất lƣợng điện lƣợng tiêu thụ mối quan tâm hàng đầu nhà quản lý có ý nghĩa lớn phát triển kinh tế - xã hội Doanh nghiệp sản xuất gỗ Thiện Tâm, Chư Prơng, Gia Lai khơng nằm ngồi tình trạng Với nhiện vụ sản xuất nhà máy sản xuất phơi gỗ Do phụ tải tiêu thụ lượng lớn máy cưa xẻ gỗ, máy sử dụng động cơng suất lớn (15-55kW) nhà máy bố trí sản xuất chưa hợp lý Do q trình sản xuất cịn nhiều khâu máy phải chạy khơng tải non tải Ngoài nhà máy chưa có lắp đặt hệ thống theo dõi, giám sát sử dụng lượng hay hệ Scada Trong đề tài nghiên cứu đề xuất chủ doanh nghiệp lắp đặt hệ thống giám sát chất lượng điện hỗ trợ bố trí lại sản xuất nhà máy tính tốn thay động phù hơp với nhu cầu phụ tải thực tế C C R L T DU 3.1 Giải pháp tiết kiệm điện vận hành động điện Doanh nghiệp sản xuất sử dụng nhiều loại máy khác nhau, với cơng nghệ khác nhau, đồng thời trình độ sử dụng chúng khác Nhưng có điểm chung sử dụng động điện thiết bị tiêu thụ lượng Thực tế có nhiều chủ doanh nghiệp lại quang điểm lắp đặt cho hệ thống động điện với công suất lớn để vận hành cho khoẻ mát máy làm việc Nhưng điều làm cho việc sử dụng lượng khơng hiệu Phần phân tích tốn học trình bày chi tiết thuyết minh mục 3.1 3.2 Tƣ vấn tổ chức lại sản xuất nhà máy Thiên Tâm Nhà máy lắp đặt 20 động loại phục vụ cho dây chuyền cắt sẻ gỗ Các dây chuyền cung cấp điện từ tủ điện tổng trạm biến áp (TBA) 400kVA22/0,4kV Hiện nhà máy sử dụng tủ tụ bù tự động, đặt tủ điện tổng với công suất 200kVAr Hàng ngày sản xuất nhà máy chưa quan tâm đến hiệu sử dụng điện, nhiều khâu sử dụng điện chưa phù hợp, thông số sử dụng lượng chưa giám sát Do đo có tháng doanh nghiệp phải trả tiền phạt công suất phản kháng 13 3.2.1 Sử dụng OEE cho nhà máy chế biến gỗ Thiên Tâm - C C Hình 3.2 OEE Thiên Tâm Tỷ lệ hữa dụng (Avaiability): tỷ số thời gian sản xuất thực tế thời gian mà dây chuyền sản xuất lên kế hoạch (bao gồm thời gian tăng ca) Availability = (Thời gian sản xuất thực tế) / (Thời gian sản xuất theo kế hoạch) x 100% (3.8) R L T DU - Tỷ lệ chất lượng (Quality): tích RFT (Right First Time) công đoạn cưa xẻ phôi gỗ Quality = (Tổng sản phẩm hạng A)/(Tổng sản phẩm kiểm tra) x 100% (3.9) - Tỷ lệ suất (Performance): tỷ số hiệu sản xuất thực tế tạo sản phẩm theo (bao gồm hàng lỗi) thời gian sản xuất thực tế: Performance=(hiệu sản xuất thực tế theo giờ)/(thời gian sản xuất thực tế) x 100% (3.10) Động thiết bị tổng thể (OEE): tích thông số trên: OEE = Availability x Quality x Perforamnce (3.11) Một cách để diễn giải ý nghĩa biểu đồ OEE chuyền sau: Avaiability = 97%: nguôn lực mặt thời gian tận dụng 97% 3% lại khoảng thời gian chết (tất nhiên số khơng lớn nhiều, mang tính trình bày minh họa chủ yếu) Quality = 90%: phôi gỗ đưa vào dây chuyền xẻ có 90 sản phẩm chứng nhận loại A chất lượng, 10 tiếng dùng để sản xuất 01 tiếng lãng phí vấn đề chất lượng Performance = 102%: tốc độ sản xuất chuyền vượt mục tiêu 2% mặt thời gian Một cách chi tiết, số tính ví dụ sau: 14 - Mục tiêu 220 sản phẩm/giờ với chất lượng loại A dây chuyền tổng thời gian sản xuất thực tế (bao gồm tăng ca sau trừ thời gian ước lượng lãng phí downtime) 198 - Thực tế, dây chuyền sản xuất báo cáo sản xuất 39.764 sản phẩm tháng 1, thời gian mà dây chuyền sản xuất đạt chất lượng theo mục tiêu 220 sản phẩm/giờ là: - Thời gian sản xuất loại A = (Sản lượng mục tiêu dây chuyền)/(Sản lượng đạt Loại A) = (220 sp/giờ)/(39,764 sp/tháng1) = 180,7 - Qua theo dõi có thời gian sản xuất 90% (Cưa lấy phôi + cưa nhỏ + ghép theo khối), thời gian thực mà dây chuyền thực sản xuất là: - Hiệu sản xuất theo = (Thời gian sản xuất loại A)/Quality = (180,7 giờ)/(90% ) = 200 C C - Cuối cùng: Performance = (Hiệu sản xuất theo giờ)/(Thời gian sản xuất thực tế) = 200/198 ≈ 102% Vì vậy, với trường hợp mục tiêu 220 sp/giờ nhà máy sản xuất gỗ Thiên Tâm không phù hợp R L T DU 3.2.2 Ứng dụng IIOT đo lường OEE thời gian thực: Việc ứng dụng Internet công nghiệp (IIoT) giúp doanh nghiệp quản lý sản xuất cải thiện đánh giá OEE họ với hiểu biết chi tiết hiệu suất thiết bị thông qua thiết bị đo đạc phân tích Các giải pháp IIoT giúp cải thiện giá trị OEE theo nhiều cách: - Phân tích q trình lịch sử liệu hiệu suất để tối ưu hóa quy hoạch bảo trì, lịch biểu tài nguyên - Nhận cảnh báo trước xuống cấp máy họ, với bảo trì dự đốn để tránh thời gian chết - Mục tiêu dẫn đến chi phí bảo trì thấp hơn, vật liệu nguồn cung cấp giảm, có sẵn thiết bị lớn - Chất lượng dây chuyền sản xuất theo dõi cẩn thận Nó giúp doanh nghiệp theo dõi thơng số q trình, tìm hiệu chuẩn, nhiệt độ, tốc độ thời gian sản xuất máy - Nó giúp việc quản lý chuỗi cung ứng Các ngành công nghiệp so sánh kết sản xuất trước với kết Nó giúp doanh nghiệp định cách họ làm việc theo lịch trình tương lai họ Với thiết bị liên quan đến IIoT mới, doanh nghiệp dễ dàng đạt điểm OEE cao với việc triển khai công nghệ cách 15 Chƣơng - KẾT QUẢ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Trong chương trình bày kết chế tạo thiết kế thiết bị giám sát hướng đến tự động điều tiết phụ tải công nghiệp Hiện tại, Ngành điện lắp đặt module thu thập số ghi nhận công tơ đo đếm điện để giám sát từ xa Tuy nhiên, thiết bị để phục vụ cho cơng tác vận hành ngành điện, chưa thực mang lại lợi ích cho khách hàng việc theo dõi giám sát thông số sử dụng lượng khơng có tính giám sát tình trạng vận hành tụ bù hệ thống điện sản xuất Từ thực trạng nêu cần có thiết bị giải vấn đề quản lý, sử dụng lượng cho doanh nghiệp hướng đến hỗ trợ điều tiết phụ tải công nghiệp ngành điện triển khai chương trình điều chỉnh phụ tải (DR) Đề tài ứng dụng thành cơng thuật tốn kiểm lỗi CRC giao thức Modbus RTU đảm bảo liệu truyền tin xác tin cậy Ứng dụng thuật tốn truyền thơng thiết bị Rapid Scada Trong luận văn tập trung nghiên cứu giải pháp giám sát chất lượng điện năng, tình trạng thơng số sử dụng lượng của doanh nghiệp sản xuất kết hợp phần mềm mã nguồn mở Rapid Scada để theo dõi từ xa Thiết bị giúp cho khách hàng theo dõi trực quan hóa liệu lượng tiêu thụ với thời gian thực, cho phép minh bạch sử C C R L T DU dụng lượng, thơng qua kịp thời xác định ngun nhân tiêu thụ điện bất thường, nâng cao suất quản lý, giảm tổn thất điện năng, vận hành tối ưu công suất thiết bị nhà máy giảm chi phí lượng sản phẩm đầu 4.1 Cấu tạo thông số thiết bị giám sát: 4.1.1 Cấu tạo thiết bị thu thập liệu: Thiết bị thu thập chia làm phần chính: phần nguồn cấp, phần board vi điều khiển trung tâm, phần giao tiếp RS485, phần Input đọc trạng thái contactor phần Output c ác led báo trạng thái Hình 4.1 Thiết bị thu thập liệu 16 Phần nguồn ni: sử dụng nguồn để đảm bảo tính cách ly, nguồn cấp cho thiết bị mạch, nguồn làm nguồn để lấy tín hiệu đóng cắt từ contactor Board vi điều khiển: dùng STM32F411VET6 nêu board Phần mạch giao tiếp RS485: dùng module TTL to RS485 V2 nêu Hình 4.1 Cấu tạo mạch Phần INPUT: phần để đọc tín hiệu đóng mở contactor, thiết kế cách ly để đảm bảo an toàn Phần OUTPUT: phần để xuất tín hiệu đèn led báo trạng thái 4.1.2 Thông số kỹ thuật: C C Kích thước Khối lượng Nguồn ni AC Nguồn nuôi DC Môi trường hoạt động Kết nối truyền thông MCU STM32F411VET6 Nguồn tiêu thụ 12VDC-5W Đầu vào analog 200 x 120 x 40mm R L T 200g 100-240 VDC DU 9-24 VDC -40 ~ 80 độ C Modbus RTU 10 Thời gian thực RTC Có 11 Lưu trữ liệu (tùy chọn) EEPROM 12 Cổng truyền thông 1xDB9 (Modbus RTU) 1x Domino2 13 Bộ nhớ Flash 512Kb 14 SRAM 128Kb 15 Truyền thông Modbus RTU, MQTT, 3G 4.1.3 Nguyên lý hoạt động: Thiết bi thu thập giám sát thông số đo từ relay điểu khiển tủ tụ bù (relay Ducati R8) như: dịng điện, điện áp, cosφ thơng qua chuẩn modbus RTU ngồi thiết bị cịn thu thập trạng thái đóng cắt tất contactor tụ bù Sau thu thập module thực nhiệm vụ thiết lập khung liệu thông qua module F2103 có lắp đặt Sim 3G làm nhiệm vụ gửi liệu lên đám mây MQTTCloud Tại máy chủ cài đặt phần mềm mã nguồn mở Rapid SCADA kết nối truyền thông với MQTTCloud nhận lưu trữ liệu thông qua hình kiểm tra số liệu vận hành trạng thái 17 đóng cắt contactor tụ bù Ngồi thiết bị cịn thực tính cơng suất tác dụng công suất phản kháng để cảnh báo kịp thời cho người quản lý biết mức tiêu thụ lượng tháng 4.1.4 Sơ đồ lắp đặt tổng thể: DUCATI Nguồn MQTTCloud R8 TI Subcriber Modbus Module F2103 Rapid Scada Subcriber Tải nhà máy C C R L T Tụ bù ThiếtModule bị thu thập Hình 4.2 Sơ đồ tổng thể hệ thống giám sát thu thập liệu DU 4.2 Kết thu thập đƣợc từ tiết bị: Để thiết bị thiết kế đưa vào thực tế vận hành ổn định trình thực trải qua nhiều lần thất bại lần kinh nghiệm q trình kế để có sản phẩm hồn chỉnh hơm nay, cụ thể: Giai đoạn thiết bị thiết kế theo nghiên cứu lý thuyết ban đầu cho sản phẩm hồn chỉnh Sau kiểm tra tình hình vận hành thiết bị ổn định chuyển lắp đặt lên lưới điện (vào tháng 02/2020) để vận hành Tuy nhiên chưa lường trước yếu tố ngoại vi tác động đến hoạt động thiết bị, nên đưa vào vận hành hệ thống tụ bù đóng cắt thiết bị hỏng điều khiển trung tâm Nguyên nhân tủ tụ bù đóng cắt dẫn đến sóng hài bậc cao đánh thủng cách điện dẫn đến hỏng điều khiển trung tâm Giai đoạn để khắc phục tình trạng nên tác giả chọn lại nguồn cung cấp chất lượng hơn, lọc sóng hài tốt (nguồn UNO-24VDC, trước sử dụng nguồn tổ ong 12VDC) Sau đưa vào vận hành thực tế vào ngày 25/02/2020, thiết bị vận hành đến cuối tháng 02/2020 tiếp tục bị hỏng điều khiển trung tâm 18 Hình 4.3 Thiết bị lắp đặt giai đoạn đầu giai đoạn C C Giai đoạn Sau hai lần thất bại tác giả kiểm tra kỹ lại nguyên nhân ảnh hưởng đến hỏng điều khiển trung tâm, tác giả định sử dụng lại nguồn (nguồn UNO-24VDC) bổ sung thêm thiết bị lọc sóng hài chuyên dụng Với phương pháp chọn sau đưa vào lắp đặt vận hành từ ngày 06/3/2020 đến thiết bị giám sát hoạt R L T động ổn định DU 4.2.1 Giao diện theo dõi chính: gồm có hai phần - Phần thơng số hệ thống: bao gồm hệ số Cosφ, Điện áp, dòng điện, công suất tác dụng, công suất phản kháng, điện tiêu thụ, công suất phản kháng tiêu thụ - Phần trạng thái đóng cắt tụ bù: phần thể trạng thái đóng hay cắt contactor, phần hiển thị so sánh tính hiệu điều khiển tụ bù thực tế trạng thái đóng cắt contactor Hình 4.5 Giao diện theo dõi thơng số vận hành 19 Giao diện trình giám sát thông số lượng dựa phần mềm mã nguồn mỡ Rapid SCADA thiết kế gồm phần chính: phần hiển thị thơng số lương tiêu thụ Cosφ, dòng điện, điện áp vận hành, công suất tác dụng phụ tải, công suất phản kháng, số liệu dự kiến sản lượng điện tác dụng điện phản kháng; phần thứ hai thể trạng thái đóng cắt contactor tụ bù phần thứ ba thể thời gian ghi nhận số liệu trạng thái hệ thống Phần mềm mã nguồn mở Rapid SCADA việc cho phép thiết kế giao diện theo dõi số liệu trực quan mà chức lưu trữ bảng nhật ký liệu giá trị theo mốc thời gian (60 phút/một lần) Các nút hiển thị “ON hay OFF” thể trạng thái đóng cắt contactor tụ bù Điều giúp cho người quan lý kiểm tra lại số liệu nhật ký thuận lợi C C R L T 4.2.2 Đồ thị theo dõi thông số vận hành: DU Hình 4.6 Bảng số liệu tổng thể - Biểu đồ hệ số Cosφ đo được: Qua biểu đồ ta thấy có thời điểm giá trị cosφ