Đang tải... (xem toàn văn)
Hằng năm, sản lượng điện cung cấp ở nước ta vô cùng lớn, do đó hệ thống truyền tải điện ở nước ta cũng có quy mô lớn với nhiều các TBA. Để hệ thống truyền tải điện năng hoạt động an toàn, hiệu quả thì việc giám sát nhiệt độ trong các trạm biến áp hết sức quan trọng, vì vậy em xin chọn đề tài: ”Thiết kế các bộ thu thâp có giao tiếp không dây và các phần mềm chức năng ứng dụng cho hệ ̣ thống giám sát nhiêt đô ̣ c̣ ác điểm kín trong trạm BA sử dụng công nghê cảm ̣ biến thụ động SAW.” làm đề tài Đồ án tốt nghiệp của mình. Để phục vụ cho đề tài của mình em đã sử dụng các phần mềm: Visual Studio, Visual Code, Keil C, Altium và Solid Work…; phần cứng em sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6, Module Wifi ESP8266-E1, Zigbee CC2530… Kết quả đồ án cơ bản hoàn thiện được mục tiêu đề ra. Đề tài hướng tới ứng dụng thực tế trong các TBA 110kV khu vực Hà Nội và cả nước. Các kiến thức và kỹ năng đạt được: - Nắm được giao thức truyền thông Modbus RTU. - Lý thuyết về truyền thông không dây Zigbee. - Cảm biến SAW và nguyên lý đầu đọc nhiệt độ cảm biến SAW.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế các bô ̣ thu thâ ̣p có giao tiếp không dây và các phần mềm chức ứng dụng cho hệ thống giám sát nhiêṭ đô ̣ điểm kín trạm BA sử dụng cơng nghê ̣ cảm biến thụ động SAW LÊ HỒNG SƠN son.lh153192@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa Chuyên ngành Kỹ thuật đo & Tin học công nghiệp Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Hồng Sĩ Hồng Bộ mơn: Viện: Kỹ thuật đo & Tin học công nghiệp Điện HÀ NỘI, 01/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI *** CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc - NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Họ tên: Lê Hồng Sơn Mã số sinh viên: 20153192 Khóa: 60 Viện: Điện Ngành: Kỹ thuật đo tin học công nghiệp Đầu đề thiết kế/Tên đề tài Thiết kế các bô ̣ thu thâ ̣p có giao tiếp không dây và các phần mềm chức ứng dụng cho hệ thống giám sát nhiê ̣t ̣ điểm kín trạm BA sử dụng công nghê ̣ cảm biến thụ động SAW Các số liệu ban đầu Các thu thập thiết kế gồm hai chuyển đổi (End Device), điều phối mạng (Coordinator) Các thu thập phải thực chức thu thập nhiệt độ giả lập phần mềm máy tính theo phần mềm cấu hình đọc IntelliSaw, sau đưa liệu lên giao diện web sở liệu giúp giám sát, lưu trữ liệu Các nội dung tính tốn, thiết kế - Thiết kế chuyển đổi (End Device) - Thiết kế điều phối mạng (Coordinator) - Thiết kế phần mềm giả lập đọc từ cảm biến không dây thụ động - Thiết kế giao diện web giám sát nhiệt độ Cán hướng dẫn: PGS TS Hoàng Sĩ Hồng Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 20/09/2019 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 05/01/2020 Ngày tháng năm CHỦ NHIỆM BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) i ii Lời cảm ơn Trong trình thực đồ án tốt nghiệp, em nhận nhiều giúp đỡ, động viên chia sẻ gia đình, thầy giáo, anh chị bạn Đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ em, tạo điều kiện giúp đỡ em vật chất lẫn tinh thần, ln động viên khích lệ em suốt trình học tập thực đồ án Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS TS Hoàng Sĩ Hồng, người trực tiếp hướng dẫn em thực đề tài Thầy có định hướng, hướng dẫn, bảo trao dồi với em suốt trình học tập, nghiên cứu trường, trình thực Đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trực tiếp giảng dạy trau dồi kiến thức quý báu cho em suốt năm học tập Bách khoa Em gửi lời cảm ơn đến bạn, em Lab ManDevices nhiệt tình đóng góp ý kiến giúp em hồn thiện đồ án Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Điện, Bộ môn Kỹ thuật đo Tin học công nghiệp tạo điều kiện thuận lợi giúp em hồn thiện đồ án Tóm tắt nội dung đồ án Hằng năm, sản lượng điện cung cấp nước ta vơ lớn, hệ thống truyền tải điện nước ta có quy mô lớn với nhiều TBA Để hệ thống truyền tải điện hoạt động an tồn, hiệu việc giám sát nhiệt độ trạm biến áp quan trọng, em xin chọn đề tài: ”Thiết kế các bô ̣ thu thập có giao tiếp không dây và các phần mềm chức ứng dụng cho hệ thống giám sát nhiê ̣t độ điểm kín trạm BA sử dụng cơng nghê ̣ cảm biến thụ động SAW.” làm đề tài Đồ án tốt nghiệp Để phục vụ cho đề tài em sử dụng phần mềm: Visual Studio, Visual Code, Keil C, Altium Solid Work…; phần cứng em sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6, Module Wifi ESP8266-E1, Zigbee CC2530… Kết đồ án hoàn thiện mục tiêu đề Đề tài hướng tới ứng dụng thực tế TBA 110kV khu vực Hà Nội nước Các kiến thức kỹ đạt được: - Nắm giao thức truyền thông Modbus RTU - Lý thuyết truyền thông không dây Zigbee - Cảm biến SAW nguyên lý đầu đọc nhiệt độ cảm biến SAW Sinh viên thực Ký ghi rõ họ tên iii MỤC LỤC MỤC LỤC iv DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU xi DANH MỤC VIẾT TẮT xii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ VÀ GIẢI PHÁP GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ TRONG TRẠM 110KV .3 1.1 Tổng quan hệ thống điện Việt Nam 1.2 Trạm biến áp không người trực – xu hướng tất yếu 1.2.1 Nguyên nhân dẫn đến cố trạm biến áp 1.2.2 Thực trạng việc giám sát nhiệt độ Việt Nam 1.3 Giải pháp đặt .12 CHƯƠNG TÌM HIỂU CẢM BIẾN KHÔNG DÂY THỤ ĐỘNG VÀ GIẢI PHÁP TRUYỀN THÔNG 15 2.1 Cảm biến không dây thụ động SAW .15 2.1.1 Lịch sử SAW 15 2.1.2 Nguyên lý 16 2.1.3 Cấu tạo cảm biến SAW 18 2.2 Bộ đọc cảm biến nhiệt độ thụ động .21 2.2.1 Bộ đọc dạng FMCW/FSCW 22 2.2.2 Bộ đọc dạng S–FSCW 24 2.2.3 Một số đọc phổ biến 25 2.3 Giao thức Modbus RTU 26 2.3.1 Khái niệm .26 2.3.2 Cách thức giao tiếp Modbus 26 2.3.3 Dữ liệu hàm Modbus RTU 29 2.3.4 Toàn vẹn liệu .30 2.3.5 Đường truyền RS485 31 2.4 Giải pháp truyền thông không dây 33 2.4.1 Lựa chọn giải pháp truyền thông không dây 33 2.4.2 Giao thức ZigBee 35 CHƯƠNG PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ 38 iv 3.1 Yêu cầu toán 38 3.2 Sơ đồ khối hệ thống 39 3.3 Thiết kế phần cứng chuyển đổi 40 3.3.1 Khối nguồn .41 3.3.2 Khối xử lý trung tâm 43 3.3.3 Khối Modbus RTU 47 3.3.4 Khối truyền thông Zigbee .51 3.4 Thiết kế phần cứng điều phối trung tâm 52 3.4.1 Khối nguồn .53 3.4.2 Khối xử lý trung tâm 55 3.4.3 Khối giao tiếp Wifi 56 3.4.4 Thiết kế khối giao tiếp SIM800L 58 3.4.5 Khối truyền thông Zigbee .59 3.5 Thiết kế phần mềm 60 3.5.1 Thiết kế phần mềm giả lập đọc 60 3.5.2 Xây dựng tin giao tiếp 62 3.5.3 Lưu đồ thuật tốn chương trình 65 3.6 Thiết kế giao diện web 70 3.6.1 Giới thiệu giao thức MQTT .70 3.6.2 Thiết kế sở liệu .72 3.6.3 Thiết kế giao diện Web 72 3.7 Thiết kế mạch in, đóng vỏ sản phẩm .74 CHƯƠNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC, THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 77 4.1 Kết đạt 77 4.2 Thử nghiệm hệ thống 79 4.2.1 Kịch thử nghiệm 1: Sử dụng đồng hồ DPM380 .79 4.2.2 Kịch thử nghiệm 2: Hai chuyển đổi hoạt động 83 4.2.3 Kịch thử nghiệm 3: Kiểm tra khoảng cách ZigBee 87 4.2.4 Kịch thử nghiệm 4: Đo đầu mạch nguồn .89 4.3 Đánh giá kết 89 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 PHỤ LỤC 95 v DANH MỤC HÌNH VẼ vi Hình 1.1 Biểu đồ tổng công suất nguồn điện Việt Nam năm 2018 [1] Hình 1.2 Biểu đồ sản lượng điện theo nguồn lượng năm 2018 [1] .3 Hình 1.3 Sự cố với máy cắt dầu 33kV Hình 1.4 Cháy TBA 110kV Yên Bình ngày 1/8/2017 Hình 1.5 Sử dụng thiết bị đo nhiệt hồng ngoại đo độ trạm [8] .10 Hình 1.6 Màn hình giám sát nhiệt độ sử dụng camera nhiệt [8] 10 Hình 1.7 Minh họa sơ đồ thứ trạm Noruma [9] 11 Hình 1.8 Giải pháp truyền thông sử dụng ZigBee, cáp quang ABB [10] 12 Hình 1.9 Giải pháp ứng dụng cảm biến SAW ABB [11] 12 Hình 1.10 Thực tiễn giải pháp lắp đặt cảm biến ABB [11] 13 Hình 1.11 Sơ đồ tổng thể hệ thống SCADA trạm biến áp 13 Hình 1.12 Các tủ máy cắt phịng trạm 110kV ng Bí [12] .14 Hình 1.13 Sơ đồ khối giải pháp hệ thống thực tiễn 14 Hình 2.1 Cấu trúc thiết bị SAW .16 Hình 2.2 Cấu trúc phân tử khơng đồng tinh thể [14] 17 Hình 2.3 Biến dạng cấu trúc vật liệu áp điện đặt vào điện áp [14] 17 Hình 2.4 Vật liệu áp điện chịu lực nén tạo điện tích hai cực [14] 17 Hình 2.5 Cấu tạo IDT cảm biến SAW [15] 18 Hình 2.6 Một số dạng cảm biến SAW phổ biến [16] 18 Hình 2.7 Nguyên lý, cấu tạo cảm biến SAW dịng trễ phản xạ [15] 18 Hình 2.8 Q trình nhận sóng phát sóng IDT [15] 19 Hình 2.9 Cảm biến SAW phủ lớp cảm biến [17] 20 Hình 2.10 Cảm biến SAW mục đích nhận dạng đo lường 20 Hình 2.11 Cảm biến nhiệt độ hãng IntelliSAW [18] 21 Hình 2.12 Cảm biến nhiệt độ hãng SENSeOR [19] 21 Hình 2.13 Phân loại đọc cảm biến SAW [16] 22 Hình 2.14 Sơ đồ khối đọc dạng FMCW/FSCW [16] 22 Hình 2.15 Luồng xử lý liệu FDS với cảm biến SAW dịng trễ phản xạ [16] 24 Hình 2.16 Sơ đồ khối đọc dạng S–FSCW [16] .24 Hình 2.17 Bộ đọc cảm biến nhiệt độ nguyên lý SAW hãng IntelliSAW [20] 25 Hình 2.18 Bộ đọc cảm biến nhiệt độ nguyên lý SAW hãng SENSeOR [19] 25 Hình 2.19 Tham chiếu Modbus mơ hình OSI 27 Hình 2.20 Chế độ unicast 27 Hình 2.21 Chế độ Broadcast 28 Hình 2.22 Cấu trúc khung tin Modbus RTU [22] .28 Hình 2.23 Phân cực đường truyền RS-485 32 vii Hình 2.24 ZigBee ứng dụng nhiều lĩnh vực 34 Hình 2.25 Bộ chuyển đổi ZigBee-RS232/422/485 ATC-2630 [26] 34 Hình 2.26 Bộ chuyển đổi ZigBee-RS232/422/485 ATC-3200 [27] 34 Hình 2.27 Bộ điều khiển ánh sáng ứng dụng chuyển đổi ZigBee - Modbus RTU 35 Hình 2.28 Cấu trúc ZigBee .36 Hình 3.1 Sơ đồ toàn khối hệ thống sử dụng đồ án .39 Hình 3.2 Sơ đồ khối thiết kế chuyển đổi 41 Hình 3.3 Mạch nguyên lý chuyển đổi 41 Hình 3.4 Thiết kế khối nguồn chuyển đổi 42 Hình 3.5 Vi điều khiển STM32F103C8T6 43 Hình 3.6 Sơ đồ khối chip STM32F103C8T6 [29] 44 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm 44 Hình 3.8 Mạch lọc nguồn cho vi điều khiển 45 Hình 3.9 Nguyên lý lọc thông thấp .45 Hình 3.10 Nguyên lý khối dao động 45 Hình 3.11 Hiện tượng dội phím thường gặp .46 Hình 3.12 Lựa chọn thiết kế mạch reset cho vi điều khiển 46 Hình 3.13 Bảng lựa chọn vùng nhớ khởi động MCU [29] 46 Hình 3.14 Khối nạp sửa lỗi chương trình cho vi điều khiển 47 Hình 3.15 IC MAX485, sơ đồ chân [30] 47 Hình 3.16 Độ trễ chuyển đổi nhận tín hiệu [30] 48 Hình 3.17 Sơ đồ chức MAX485 [30] 48 Hình 3.18 Sơ đồ nguyên lý khối Modbus RTU 49 Hình 3.19 Chuẩn điện áp đầu vào STM32F103C8T6 [29] 50 Hình 3.20 Module Zigbee CC2530 51 Hình 3.21 Nguyên lý khối truyền thông Zigbee 51 Hình 3.22 Sơ đồ khối điều phối trung tâm 52 Hình 3.23 Sơ đồ nguyên lý điều phối trung tâm 52 Hình 3.24 Thiết kế khối nguồn điều phối trung tâm 53 Hình 3.25 Đặc tính dịng RMS tụ điện [31] 54 Hình 3.26 Đặc tính lựa chọn cuộn cảm cuộn cảm [31] 54 Hình 3.27 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm điều phối 56 Hình 3.28 Module ESP8266 ESP-01 56 Hình 3.29 Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp Wifi 57 Hình 3.30 Nguyên lý smart config ESP8266 58 Hình 3.31 Module Sim800L 58 viii Hình 4.105 Mơ hình thử nghiệm Bố trí thử nghiệm: Hình 106 bố trí thực tế thử nghiệm điều phối hoạt động cho phép chuyển đổi gia nhập mạng ZigBee, sau liên tục gửi lệnh hỏi giá trị nhiệt độ tới chuyển đổi Kết nối cáp RS485 – USB cho phép chuyển đổi với PC Hình 4.106: Kịch thử nghiệm Các thơng số ban đầu thử nghiệm: - Cấu hình phần mềm giả lập đọc: Thông số truyền thông: ID Slave 01 Cài đặt thông số: Baudrate 9600, parity none Cài đặt địa ghi Bảng 17 thông số nhiệt độ tùy ý Ở em cài đặt nhiệt độ cho phần mềm giả lập đọc để kết nối với chuyển đổi Hình 107, Hình 108: c Hình 4.107 Cài đặt thơng số phần mềm giả lập cho đọc thứ Hình 4.108 Cài đặt thông số phần mềm giả lập đọc thứ hai Trình tự thử nghiệm: - Bước 1: Cấp nguồn 12V-1.5A cho điều phối hoạt động, kiểm tra kết nối wifi, kết nối đến wifi phần mềm điện thoại cần thiết - Bước 2: Cấp nguồn 12V-1.5A cho chuyển đổi thứ nhất, kết nối đến máy tính qua cáp RS485 – USB hoạt động kiểm tra cổng COM, chọn lại COM phần mềm giả lập Kiểm tra đèn gia nhập vào mạng ZigBee gia nhập đèn sáng, chưa kết nối ấn nút để chuyển đổi kết nối lại Bộ chuyển đổi thiết bị End Device mạng ZigBee có địa mạng - Bước 3: Thêm thiết bị giao diện web giám sát liệu - Bước 4: Cấp nguồn 12V-1.5A cho chuyển đổi thứ hai, kết nối đến máy tính qua cáp RS485 – USB hoạt động kiểm tra cổng COM, chọn lại COM phần mềm giả lập Kiểm tra đèn gia nhập vào mạng ZigBee gia nhập đèn sáng, chưa kết nối ấn nút để ci chuyển đổi kết nối lại Bộ chuyển đổi thiết bị End Device thứ hai mạng ZigBee có địa mạng - Bước 5: Thêm thiết bị giao diện web giám sát liệu - Bước 6: Kiểm tra liệu gửi lên giao diện web Kết thử nghiệm: - Bản tin Modbus RTU đọc giả lập (Hình 109, Hình 110) Hình 4.109 Bản tin Modbus RTU giao tiếp với chuyển đổi thứ Hình 4.110 Bản tin Modbus RTU giao tiếp với chuyển đổi thứ hai - Bảng đối chiếu liệu cài đặt, liệu tin Modbus RTU liệu gửi lên web (Hình 111, Hình 112) Bảng 4.24 Đối chiếu kết thử nghiệm Thanh ghi (40)418 (40)419 (40)420 (40)421 (40)422 (40)423 (40)424 (40)425 (40)426 (40)427 (40)428 (40)429 Giá trị đặt Dữ liệu Giá trị đặt Dữ liệu cho phần web từ cho phần web từ mềm đọc chuyển đổi mềm đọc chuyển đổi thứ thứ thứ hai thứ hai 60° C 60 35° C 35 60° C 60 35° C 35 50° C 50 25° C 25 47° C 47 22° C 22 63° C 63 38° C 38 39° C 39 14° C 14 70° C 70 45° C 60° C 60 35° C 52° C 52 27° C 73° C 73 48° C 48 60° C 60 35° C 35 68° C 68 43° C 43 cii Hình 4.111 Dữ liệu gửi lên web từ chuyển đổi thứ Hình 4.112 Dữ liệu gửi lên web từ chuyển đổi thứ hai Nhận xét: Bản tin truyền xác, giá trị nhiệt độ hiển thị xác giao diện web Ở có giá trị nhiệt độ phần mềm giả lập đọc cảm biến bị tắt 4.2.3 Kịch thử nghiệm 3: Kiểm tra khoảng cách ZigBee Mục đích: Kiểm tra khoảng cách truyền tin Bố trí thử nghiệm: Hệ thống thử nghiệm bao gồm điều phối (Coordinator), chuyển đổi (End Device), cáp RS485 – USB, nguồn 12V-1.5A, nguồn pin 9V, phần mềm giả lập đọc Bộ điều phối hoạt động cho phép chuyển đổi gia nhập mạng ZigBee, sau liên tục gửi lệnh hỏi giá trị nhiệt độ tới chuyển đổi Kết nối cáp RS485 – USB cho phép chuyển đổi với PC Hình 113 bố trí thử nghiệm ciii Hình 4.113 Kịch thử nghiệm Trình tự thử nghiệm: - Bước 1: Kết nối chuyển đổi với PC thông qua đường truyền RS485 kiểm tra cổng COM PC - Bước 2: Mở phần mềm giả lập đọc, lựa chọn COM, tốc độ baudrate, Parity, Length cho phần mềm giả lập đọc, cài đặt ID slave modbus cho đọc Cài đặt thông số nhiệt độ ghi tùy ý - Bước 3: Cấp nguồn cho điều phối kiểm tra hoạt động wifi - Bước 4: Cấp nguồn pin 9V cho chuyển đổi hoạt động, ấn nút gia nhập mạng, đèn sáng báo chuyển đổi tham gia vào mạng ZigBee - Bước 5: Kiểm tra liệu truyền nhận phần mềm giả lập đọc Kết thử nghiệm: Bảng 4.25 Kết thử nghiệm khoảng cách truyền ZigBee Khoảng cách Có vật cản Khơng có vật cản 10m Có phản hồi