Với phương pháp này, hiện nay khơng cịn phù hợp trong các tịa nhà, khu vực lớn. Vì với quy mơ ngày càng cao, u cầu xử lí nhanh và chính xác thì phương pháp thủ cơng sẽ khơng đáp ứng đủ u cầu mà các chủ tịa nhà đề ra, đồng thời tốn khá nhiều nhân công và thiếu linh hoạt.
1.2.3 Phương pháp giám sát điện năng bằng thiết bị thông minh (Smarthome)
Hiện nay, trên thị trường có nhiều thiết bị thơng minh có khả năng giám sát được điện năng như cơng tơ điện (xem Hình 1.7).
Giám sát điện năng tiêu thụ tồ nhà sử dụng truyền thông Modbus TCP/IP
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 thơng 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 thơng minh này cũng sẽ có các nhược điểm như:
- Giám sát được ít thơng số điện;
- Khơng 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 khơng thể truyền thơng dữ liệu đi xa thấp;
- Khơng có khả năng lưu trữ dữ liệu phục vụ cho nâng cấp sau này.
Với ưu và nhược điểm đó phương pháp giám sát điện bằng thiết bị thông minh chỉ phù hợp với các hộ gia đình, tịa nhà văn phịng ít tầng.
1.2.4 Phương pháp giám sát điện năng bằng PLC S7 1200 và truyền thông Modbus
TCP/IP.
Với phương pháp sử dụng truyền thông Modbus TCP/IP - là một chuẩn truyền thông hoạt động dựa trên địa chỉ IP tương thích với nền tảng truyền thơng Ethernet. Cho phép chúng ta mở rộng kết nối với nhiều thiết bị, nhiều trạm điều khiển khác nhau. Đồng thời, tốc độ truyền dữ liệu rất ổn định. Chính vì thế viêc điều khiển, giám sát điện năng trong tòa nhà là khá phù hợp
Hệ thống có thể giám sát và quản lý tập trung toàn bộ hệ thống liên tục 24/24. Có thể xuất báo cáo hệ thống tự động theo đối tượng, theo thời gian, theo mẫu. Đồng thời tiết kiệm thời gian và chi phí nhân cơng giám sát tại chỗ
Có thể quản lí điện năng tại một khu vực bất kì tại thời điểm bất kì. Từ đó, đưa ra phương án điều chỉnh và định hướng tương lai để xây dựng hệ thống truyền tải cho phù hợp với thực tế.
1.2.5 Lựa chọn phương pháp tối ưu
Từ Mục 1.2.1, Mục 1.2.2, Mục 1.2.3, và Mục 1.2.4, Qua phân tích chúng tơi nhận thấy các phương pháp trên đều có ưu, nhược điểm riêng tuy nhiên với đề tài giám sát điện phục vụ cho các tòa nhà cao tầng thỏa mản các tiêu chí sau:
- Giám sát được nhiều thơng số điện trong tòa nhà;
Giám sát điện năng tiêu thụ tồ nhà sử dụng truyền thơng Modbus TCP/IP
- Khả năng truyền nhận thơng 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 tịa nhà cao tầng;
- Sử dụng S7-1200 có khả năng tích hợp, phát triển với hệ thống BMS trong tịa nhà giúp giám sát nhiều tính năng cùng lúc.
Phương án giám sát điện năng bằng chuẩn truyền thông Modbus TCP/IP là phương án tối ưu nhất đáp ứng được các mục tiêu cũng như yêu cầu đạt ra.
1.3 Chức năng và tầm quan trọng của hệ thống giám sát điện năng tòa nhà.
Trong hệ thống giám sát tịa nhà BMS, thì hệ thống giám sát điện năng hay năng lượng tòa nhà (PMS) được xem là thành phần quan trọng nhất bởi vì nó là động lực cung cấp cho các đối tượng khác hoạt động.
Trên đây là các chức năng mà hệ thống giám sát điện năng thể hiện được tầm quan trọng của nó trong hệ các tịa nhà đặc biệt là các tòa nhà cao tầng:
- Giám sát và quản lý tập trung toàn bộ hệ thống điện sản xuất;
- Kiểm sốt tần số, điện áp, dịng điện, cơng 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 cơng giám sát tại chỗ;
- Giảm tối đa các sai sót so với q trình thực hiện giám sát thủ cơng; - 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.
1.4 Các thông số quan trọng trong giám sát điện năng tòa nhà.
Đối với việc giám sát điện năng tiêu thụ trong tịa nhà thì các thơng số trong bảng sau đây được bắt buộc phải có trong một hệ thống PMS cơ bản (xem Bảng 1.1).
Ngồi các thơng số trên, thì trong đề tài này nhóm chúng tơi cịn bồ sung thêm các chức năng cảnh báo lỗi cơ bản thường xảy ra trong hệ thống điện như: quá công suất, sụt áp…
Giám sát điện năng tiêu thụ tồ nhà sử dụng truyền thơng Modbus TCP/IP
Bảng 1.1 Các thông số cơ bản trong giám sát hệ thống PMS.
Số TT Thông Số Đơn vị
1 Điện áp V
2 Dòng điện A
3 Công suất tiêu thụ kWh
4 Công suất tức thời W
5 Tần số Hz
6 Hệ số công suất (Cos φ)
Giám sát điện năng tiêu thụ toà nhà sử dụng truyền thông Modbus TCP/IP
Chương 2: TỔNG QUAN VỀ PLC S7-1200, TIA PORTAL, TRUYỀN THÔNG MODBUS TCP/IP
2.1 Giới thiệu về PLC S7-1200
2.1.1 Tổng quan PLC S7-1200
2.1.1.1 Giới thiệu
PLC S7-1200 là một trong những sản phẩm mới của hãng SIEMENS được sản xuất năm 2009 để dần thay thế cho dịng S7-200. So với dịng S7-200 thì dịng S7 – 1200 được thiết kế dưới dạng các module nhỏ gọn, linh hoạt, chi phí thấp và phù hợp cho rất nhiều ứng dụng. S7-1200 có giáo diện truyền thơng vớ tiêu chuẩn hồn hảo với đầy đủ các tính năng tính hợp sẽ giúp người lập trình có thể lập trình và thiết hế một các hồn chỉnh và tốn diện.
Đặc điểm vượt trội hơn so với các dịng cũ hơn đó là được tích hợp sẵn cổng truyền thơng Profinet (Ethernet), bên canh đó cịn được sử dụng chung một phần mềm Simatic Step 7 Basic cho việc lập trình PLC và màn hình giám sát HMI.Với những tính năng như trên giúp người làm việc có thể lập trình, thi cơng, thiết kế các hệ thống một cách nhanh chóng và thuận tiện hơn.
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. Bổ sung 4 cổng Ethernet.
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
Giám sát điện năng tiêu thụ tồ nhà sử dụng truyền thơng Modbus TCP/IP
Hình 2.1 Cấu tạo PLC S7-1200
2.1.1.3 Tính năng nổi bật
Có cổng truyền thơng Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn:
- Dùng để người lập trình có thể kết nối với máy tính và màn hình HMI hay truyền thơng 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 q 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 2 ngõ ra PTO 100kHz;
- 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 thơng số điểu khiển (auto-tune functionality) với 16 bộ điều khiển PID.
Thiết kế linh hoạt:
- 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 khơng 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 thơng có thể kết nối vào CPU nhằm mở rộng khả năng truyền thông, vd module RS232 hay RS485;
Giám sát điện năng tiêu thụ tồ nhà sử dụng truyền thơng Modbus TCP/IP
- Card nhớ SIMATIC, dùng khi cần rộng bộ nhớ CPU, copy chương trình ứng dụng khi cập nhật firmware;
- Có khả năng chẩn đốn lỗi online / offline.
2.1.1.4 Lập trình
Để lập trình cho dịng S7-1200 ta có thể sử dụng Step 7 Basic.
Có 3 loại ngơn 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.
2.1.1.5 Giao tiếp
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; - Thiết bị HMI;
- Các bộ điều khiển SIMATIC khác. Hỗ trợ các giao thức kết nối:
- TCP/IP - SIO-on-TCP
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:
- Hệ thống băng tải;
- Điều khiển trong các hệ thống tự động; - Điều khiển đèn chiếu sáng;
Giám sát điện năng tiêu thụ toà nhà sử dụng truyền thơng Modbus TCP/IP
- Máy đóng gói;
- Máy in, máy dệt, máy trộn v.v…
2.2 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 một phần mềm tổng hợp nhiều phần mềm điều hành thiết, quản lý tự động hóa, vận hành điện của hệ thống. Hay còn được hiểu, đây là phần mềm đầu tiên trong lĩnh vực tự động hóa, có sử dụng chung 1 nền tảng để thực hiện các tác vụ, điều khiển hệ thống.
Vào năm 1996 phần mềm TIA PORTAL hình thành bởi các kỹ sư của Siemens, nó cho phép người dùng lập trình và phát triển các phần mềm quản lý riêng lẻ một cách thuận tiện trên 1 nền tảng hoàn toàn thống nhất. Nhằm giảm thiểu thời gian nên các ứng dụng riêng biệt được tích hợp, thống nhất tạo hệ thống.
TIA Portal là phần mềm nền tảng cho tất cả các phần mềm khác phát triển: Lập trình, tích hợp cấu hình thiết bị trong dải sản phẩm. Đặc điểm TIA Portal cho phép các phần mềm chia sẻ cùng 1 cơ sở dữ liệu, tạo nên tính thống nhất, tồn vẹn cho hệ thống ứng dụng quản lý, 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.
Giám sát điện năng tiêu thụ tồ nhà sử dụng truyền thơng Modbus TCP/IP
Thiết lập giao diện HMI, giao diện giám sát WinCC: gồm phần thiết kế và chạy mô phỏng trên WinCC runtime
Cấu hình cho các Sinamics Drives và giám sát, chẩn lỗi dễ dàng.
Điều khiển truyền động đơn trục hay đa trục với hỗ trợ của SCOUT TIA, ngồi ra cịn có thư viện PID rất linh hoạt, thư viện Simatic Robot đầy đủ giúp người dùng dễ thiết kế, cấu hình và cài đặt nhanh chóng một hệ thống.
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 cơng cụ lập trình kéo-thả để kết nối các thiết bị phần cứng, chạy trên nền Node JS, Node Red hỗ trợ API và online services với nhau. Nó cung cấp một trình soạn thảo dựa trên trình duyệt giúp dễ dàng kết nối các luồng với nhau bằng cách sử dụng một loạt các Node trong bảng màu (palette) có thể được triển khai chỉ bằng một cú nhấp chuột. Hơn nữa, Node Red cịn tương thích với nhiều chuẩn truyền thơng mạng và thiết bị liên kết.
Ở đề tài này nhóm sử dụng PLC S7-1200 làm phần cứng giao tiếp với Node red thông qua chuẩn truyền thông S7 Communication – S7 Protocol để sử dụng node red làm Web Server phục vụ cho giám sát điện năng tòa nhà.
Node – Red là công cụ dễ sử dụng hơn nữa khả năng tương thích với nhiều ngơi ngữ lập trình đặc biệt với thời đại IOT hiện nay thì Node Red ln là lựa chọn hằng đầu cho tất cả các dự án liên quan đến IOT vì lợi ích lớn là khơng mất phí đặc biệt dễ sử dụng. Giao diện Node-Red bao gồm các thành phần được thể hiện ở hình 2.4 (xem Hình 2.4)
Hình 2.4 Giao diện thiết kế trên Node red Cửa sổ soạn thảo gồm 4 thành phần chính: Cửa sổ soạn thảo gồm 4 thành phần chính:
Giám sát điện năng tiêu thụ tồ nhà sử dụng truyền thơng Modbus TCP/IP
- Palette: bên trái, chứa các nút có sẵn để sử dụng; - Workspace: ở giữa, nơi các luồng được tạo; - Sidebar: bên phải.
2.3 Các chuẩn giao thức
2.3.1 Giao thức Modbus TCP/IP
2.3.1.1 Tổng quan về Mobus TCP/IP
Trong nền công nghiệp hiện nay, mạng truyền thông công nghiệp được ứng dụng trong việc quản lý vận hành và giám sát ngày càng được phổ biến và đầu tư khá lớn trong các nhà máy, xí nghiệp... nhằm nâng cao chất lượng trong sản xuất. Để đáp ứng nhu cầu đó thì đã có nhiều giáo thức mạng được áp dụng như Modbus, Profinet, Profibus, Ethernet... Trong các giao thức lại chia thành những chuẩn khác nhau nữa. Điển hình trong giao thức Modbus có các chuẩn giao thức như là Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP
Modbus - TCP/IP là giao thức Modbus thuộc lớp ứng dụng, sau khi các dữ liệu được đóng gói sẽ được định tuyến bằng các chỉ ra địa chỉ IP của từng thiết bị - nơi muốn gửi đến, đảm bảo truyền đúng địa chỉ và dữ liệu được truyền nhận một cách chính xác. Modbus-TCP/IP là giao thức Modbus được sử dụng trên các đường truyền Ethernet, được sử dụng trong những mơ hình TCP/IP để truyền thơng (xem Hình 2.5) Modbus-TCP được nhận diện bởi Modbus-IDA User Organization là một mạng Ethernet công nghiệp mới.
Hình 2.5 Mơ hình sử dụng truyền thơng Mobus TCP/IP
Mơ hình của chuẩn truyền thơng Modbus TCP/IP có dạng Master – Slave. Mỗi thiết