Thiết kế và xây dựng bộ điều khiển điểm sáng trong hệ thống chiếu sáng đô thị

30 3.3.2 Mô hình giám sát và điều khiển đến từng điểm sáng ứng dụng công nghệ truyền thông qua đường điện lưới PLC .... 30 Hình 30: Mô hình giám sát và điều khiển đến từng điểm sáng ứng

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Khái niệm cơ bản chiếu sáng đô thị 3

1.2 Các loại nguồn sáng nhân tạo thông dụng[] 4

1.2.1 Bóng đèn nung sáng: (Đèn sợi đốt) 4

1.2.2 Bóng đèn huỳnh quang 4

1.2.3 Bóng đèn phóng điện cuờng độ cao (HID) 5

1.2.4 Đèn phát sáng quang điện (LED: Lighting Emitting Diode) 6

1.2.5 Đèn Sulfua 6

1.3 Cấu tạo và các thông số của bộ đèn, thành phần chính của điểm sáng 6

1.3.1 Cấu tạo của bộ đèn chiếu sáng công cộng 6

1.4 Điểm sáng trong hệ thống chiếu sáng công cộng 8

1.4.1 Khái niệm: 8

1.4.2 Các thông số cần có cho một điểm sáng 9

1.5 Tủ điều khiển chiếu sáng 9

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ PLC CỦA ECHELON VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỂU KHIỂN ĐIỂM SÁNG THEO CHUẨN LONWORKS 11

2.1 Chuẩn Lonworks 11

2.1.1 Giới thiệu 11

2.1.2 Chuẩn mạng Lonworks 12

2.2 Công nghệ PLC của Echelon 14

2.2.1 Giới thiệu: 14

2.2.2 Hệ thống truyền thông tin trên đường dây điện lực: 15

2.2.3 Đặc tính kênh truyền PLC 16

2.3 Tìm hiểu chip PL3120 và mô hình quản lý mạng PLC theo chuẩn Lonworks 16

2.3.1 Chip PL3120 16

2.3.2 Neuron C 20

2.3.3 Mô hình quản lý biến mạng 22

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐẾN TỪNG ĐIỂM SÁNG TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG ĐÔ THỊ 25

3.1 Hạn chế của mô hình giám sát và điều khiển ở cấp tủ khu vực 25

3.1.1 Mô hình chung 25

3.1.2 Điều khiển tiết giảm 25

3.1.3 Giám sát, cảnh báo 27

3.2 Mô hình ứng dụng mạng GSM/GPRS trong điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng ở thành phố Hà nội 28

3.2.1 Mô hình hệ thống 28

3.2.2 Phần mềm ứng dụng 29

3.2.3 Ưu và nhược điểm của hệ thống 29

3.3 Mô hình “đề suất” để giám sát và điều khiển đến từng điểm sáng trong hệ thống

chiếu sáng đô thị 29

3.3.1 Mô hình giám sát và điều khiển đến từng điểm sáng ứng dụng công nghệ không dây (Wireless) 30

3.3.2 Mô hình giám sát và điều khiển đến từng điểm sáng ứng dụng công nghệ truyền thông qua đường điện lưới (PLC) 31

3.3.3 Các phương pháp tiết giảm công suất có thể sử dụng khi điều khiển đến từng điểm sáng 33

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIÊN ĐIỂM SÁNG TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG ĐÔ THỊ 36

4.1 Các chức năng của bộ điều khiển điểm sáng 36

4.2 Các đặc điểm chính của bộ điều khiển điểm sáng 36

4.3 Sơ đồ khối của bộ điều khiển điểm sáng 38

4.3.1 Các phần tử trong một bộ điều khiển điểm sáng 39

4.4 Sơ đồ nguyên lý mạch bộ điều khiển điểm sáng 40

4.4.1 Khối nguồn nuôi cho mạch 42

4.4.2 Khối chấp hành: Điều khiển các khởi động từ và rơ le ngoài 42

4.4.3 Khối thời gian thực 43

4.4.4 Khối Transducer 43

4.4.5 Khối điều khiển tiết giảm công suất bằng Triac 49

4.4.6 Khối vi điều khiển PL3120 Smart-transceiver 53

4.4.7 Mạch in của bộ điệu khiển điểm sáng 60

4.5 Phần mếm nhúng trong vi điều khiển truyền thông PL3120 62

4.5.1 Bù offset cho các kênh dòng và áp của ADE7753 63

4.5.2 Căn chỉnh các khối đo cho ADE7753 64

4.5.3 Lưu đồ chương trinh chính: 67

4.5.4 Truyền thông giữa điểm sáng tới Trung tâm điều khiển 74

4.6 Kết quả 77

4.6.1 Tìm hiểu, khảo sát 77

4.6.2 Thực nghiệm 77

KẾT LUẬN 84

Mục lục hình ảnh

Hình 1: Chiếu sáng trên đường cao tốc 3

Hình 2: Hệ thống chiếu sáng xung quanh hồ Gươm, Hà nội 3

Hình 3: Cấu tạo và giản đồ năng lượng của đèn sợi đốt 4

Hình 4: Bóng đèn sợi đốt dùng khí halogen 4

Hình 5: Cấu tạo bóng đèn huỳnh quang 5

Hình 6: Sơ đồ đấu dây và giản đồ năng lượng của bóng đèn huỳnh quang 5

Hình 7: Cấu tạo bộ đèn chiếu sáng công cộng 7

Hình 8: Các loại tấm phản quang 7

Hình 9: Thiết bị mồi đèn 8

Hình 10: Điểm sáng tháp Rùa, hồ Gươm bao gồm một cụm đèn LED RGB 9

Hình 11: Điểm sáng hầm cầu vượt Kim Liên, gồm dải đèn cao áp 9

Hình 12: Các lĩnh vực ứng dụng mạng Lonworks 12

Hình 13: Kiến trúc hệ thống mạng mở của Lonworks 12

Hình 14: Hệ thống truyền thông tin trên đường dây điện lực 14

Hình 15: Hệ thống đo lường, giám sát, điều khiển trên đường dây điện lực 15

Hình 16: Mô hình hệ thống truyền thông tin số trên đường dây điện lực 15

Hình 17: Sơ đồ khối Smart Transceiver 17

Hình 18: Bộ xử lý của Neuron Chip, hay Smart Transceiver 17

Hình 19: Sơ đồ khối 3120 Smart Transceiver 18

Hình 20: Mạng điều khiển trên đường dây điện 19

Hình 21: Tần số sóng mang 19

Hình 22: Trình biên dịch Neuron C trong bộ kit Mini EVK của hãng echelon 21

Hình 23: Mô hình quản lý mạng 23

Hình 24: Mô hình quản lý mạng tự trị 24

Hình 25: mô hình hệ thống chiếu sáng ở cấp tủ khu vực 25

Hình 26: Tiết giảm tại tủ khu vực bằng cách cắt pha 26

Hình 27: Tiết giảm tại tủ khu vực bằng biến áp tự ngẫu điện áp ra thay đổi được 27

Hình 28: Mô hình hệ thống điều khiển và giám sát chiếu sáng dùng công nghệ GSM/GPRS 28

Hình 29: Mô hình giám sát và điều khiển đến từng điểm sáng trong hệ thống chiếu sáng đô thị 30

Hình 30: Mô hình giám sát và điều khiển đến từng điểm sáng ứng dụng công nghệ truyền thông qua đường điện lưới (PLC) 31

Hình 31: Mô hình giám sát và điều khiển đến từng điểm sáng ứng dụng công nghệ truyền thông qua đường điện lưới (PLC) 32

Hình 32: Sơ đồ chấn lưu 2 mức công suất 33

Hình 33: Sơ đồ chấn bộ cắt pha Triac 33

Hình 34: Nguyên lý hoạt động điều khiển độ sáng bóng đèn 34

Hình 35: Chấn lưu điện tử có khả năng tiết giảm của hãng Romlight 35

Hình 36: Một số bộ đèn được sản xuất ở Việt Nam (cty Hapulico) 37

Hình 37: 37

Hình 38: Sơ đồ khối của bộ điều điểm sáng 38

Hình 39: Sơ đồ nguyên lý bo mạch chính 40

Hình 40: Sơ đồ nguyên lý bo mạch PL3120 41

Hình 41: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 42

Hình 42: Sơ đồ nguyên lý khối chấp hành 42

Hình 43: Sơ đồ nguyên lý khối đồng hồ thời gian thực 43

Hình 44: Sơ đồ nguyên lý khối transducer 44

Hình 45: Sơ đồ khối của ADE7753 45

Hình 46: Khối đo dòng điện hiệu dụng trong ADE7753 45

Hình 47: Khối đo điện áp hiệu dụng trong ADE7753 46

Hình 48: Khối đo điện năng hữu công trong ADE7753 47

Hình 49: Khối đo điện năng vô công trong ADE7753 48

Hình 50: Khối đo năng lượng biểu kiến trong ADE7753 48

Hình 51: Giản đồ liên hệ giữa năng lượng hữu công, vô công và biểu kiến 49

Hình 52: Sơ đồ nguyên lý cơ bản mạch điều khiển công suất bóng đèn 50

Hình 53: Nguyên lý hoạt động điều khiển độ sáng bóng đèn 50

Hình 54: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển độ sáng bóng đèn và đo nhiệt độ 51

Hình 55: Tín hiệu ra của mạch phát hiện điểm không 51

Hình 56: Dạng tín hiệu trên bóng đèn với công suất 80% 52

Hình 57: Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển 53

Hình 58: Biến áp ghép tín hiệu PLC 54

Hình 59: Biến áp cao tần lõi ferite 55

Hình 60: Mạch lọc đầu vào cho IC PL3120 56

Hình 61: Đồ thị Bode mô phỏng của mạch lọc thông giải 57

Hình 62: Mạch hồi tiếp cho bộ khuếch đại chọn lọc 57

Hình 63: Mạch tương đương để mô phỏng trên EW 57

Hình 64: Đồ thị Bode mô phỏng của mạch lọc mạch khuếch đại chọn lọc 58

Hình 65: Sơ đồ mạch khuếch đại công suất tín hiệu đầu ra 58

Hình 66: So sánh cường độ tín hiệu và cường độ tín hiệu bảo vệ với thiết bị chuẩn 59

Hình 67: Bố trí linh kiện trên bo mạch chủ 60

Hình 68: Bố trí linh kiện trên bo mạch PL3120 60

Hình 69: Đường dây mặt trên 61

Hình 70: Đường dây mặt dưới 62

Hình 71: Lưu đồ chương trình đọc các giá trị offset dòng và áp của ADE7753 64

Hình 72: Thiết bị căn chuẩn công tơ 1 pha PTC-8125D 65

Hình 73: Lưu đồ chương trình chính trên PL3120 67

Hình 74: Lưu đồ sự kiện Power On Reset 69

Hình 75: Lưu đồ sự kiện ioSWD 70

Hình 76: Lưu đồ sự kiện nviCMDstr 71

Hình 77: Lưu đồ sự kiện định thời fback_timer 72

Hình 78: Lưu đồ sự kiện định thời loop_timer 73

Hình 79: Lưu đồ sự kiện định thời sample_timer 73

Hình 80: Vị trí bộ điều khiển điểm sáng thử nghiệm tại thành phố Huế trên bản đồ GIS 77 Hình 81: Phần mềm giám sát và điều khiển tại trung tầm chiếu sáng đô thị Huế 78

Hình 82: Số liệu giám sát điện áp ở điểm sáng D1 79

Hình 83: Đặt lệnh điều khiển điểm sáng hoạt động ở 100% công suất 79

Hình 84: Dòng điện qua tải ở điêm sáng D1 giám sát từ 20h ngày 09/10/2011 đến 1h ngày 10/10/2011 80

Hình 85: Dòng điện qua tải ở điêm sáng D1 giám sát từ 20h ngày 09/10/2011 đến 1h ngày

10/10/2011 80

Hình 86: Đồ thị kết quả đo dòng điện của thiết bị 82

Hình 87: Đồ thị kết quả đo điện áp của thiết bị 82

Hình 88: Đồ thị kết quả đo điện năng hữu công của thiết bị 83

Mục lục bảng biểu

Bảng 1 Các thông số cần đạt đến của biến áp điện cảm rò 12H 54

Bảng 2 Các thông số cần đạt đến của biến áp điện cảm rò thấp 54

Bảng 3 Các thông số đạt được khi chế tạo biến áp điện cảm rò thấp 55

Bảng 4 Bảng kết quả đo dòng điện của bộ điều khiển điểm sáng 66

Bảng 5 Tập lệnh trả về trung tâm từ tủ chiếu sáng về trung tâm qua MODEM 76

Bảng 6 Số liệu giám sát ứng với hệ số công suất đặt là 100% và 80% 81

LỜI MỞ ĐẦU

Hệ thống chiếu sáng công cộng là một thành phần cấu thành không thể thiếu trong tổng thể hệ thống các công trình kỹ thuật cơ sở hạ tầng đô thị , đóng vai trò quan trọng trong việc bảo đảm an toàn giao thông, tăng cường trật tự an ninh đô thị, làm đẹp cảnh quan môi trường vào ban đêm Tại các nước phát triển, điện năng dùng cho chiếu sáng chiếm từ 8 - 13% tổng điện năng tiêu thụ.[1]

Việc nâng cao chất lượng chiếu sáng không chỉ nhằm mục đích thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của cuộc sống mà hơn nữa còn chính là một trong những sách lược toàn cầu trong việc tiết kiệm nằng lượng và bảo vệ môi trường Nhiệm vụ thiết kế đô thị đi đôi với bảo vệ môi trường bền vững là một đòi hỏi cấp thiết Ta hãy lấy một con

số để nghĩ: Tại Mỹ phần năng lượng điện dành cho chiếu sáng chiếm khoảng 19%, hơn nửa phần trong đó bị tiêu phí vì sử dụng công nghệ chiếu sáng hiệu suất thấp Với công nghệ chiếu sáng hiệu suất cao sẽ tiết kiệm được khoảng 10% năng lượng, tương đương với việc giảm 232 tấn khí thải CO2 do các nhà máy điện thải ra hoặc do hàng triệu xe ô tô thải ra bầu khí quyển.[2]

Thực trạng chiếu sáng đô thị lúc đó vẫn còn rất kém, lạc hậu so với các đô thị trong khu vực [3] Các hệ thống chiếu sáng chưa được điều khiển tự động hoá hoặc mới ở mức bán tự động hoá

Trong tình hình khan hiếm các nguồn năng lượng ở nước ta, đã đạt ra nhu cầu cấp thiết phải có mô hình quản lý và sử dụng năng lượng hợp lý trong chiếu sáng đô thị Thủ tướng chính phủ đã ra Nghị định 79/2009/NĐ-CP và Quyết định số 1874/QĐ-TTg, để nhằm đến mục đích “Chiếu sáng hiệu suất cao”, tiết kiệm điện năng tiêu thụ [4] [5]

Rất nhiều giải pháp nhằm tiết kiệm điện năng tiêu thụ trong chiếu sáng đô thị đã được đưa ra, giải pháp ngắn hạn có, giải pháp dài hạn cũng có Các giải pháp ngắn hạn thường có giá thành thấp, triển khai nhanh chóng nhưng không đem lại hiệu suất sử dụng điện năng cũng như hiệu suất chiếu sáng cao Vấn đề là, vẫn phải chú trọng vào một giải pháp tổng thề và dài hạn cho hệ thống chiếu sáng đô thị

Công nghệ hiện đại, kỹ thuật tiên tiến, tiết kiệm và an toàn đang là những mục tiêu quan trọng trong đổi mới hoạt động của ngành chiếu sáng công cộng đô thị

Để thực hiện các mục tiêu trên, một số giải pháp tập trung là:

- Xây dựng các trung tâm điều khiển hệ thống chiếu sáng công công đô thị tại các đô thị loại 1 và loại 2 Với việc xây dựng trung tâm điều khiển này chúng ta mới điều khiển, kiểm sóat và quản lý tới từng điểm sáng và tại mọi thời điểm … [6]

Mục tiêu trong luận văn này, tôi muốn thiết kế và xây dựng một bộ điều khiển tại điểm sáng tích hợp vào được hệ thống chiếu sáng đô thị hiện có ở Việt Nam Từ đó điều khiển đến tiết giảm công suất tiêu thụ đến từng điểm sáng Trong luận văn này tôi

sử dụng công nghệ truyền thông qua đường điện lưới của hãng Echelon, tích hợp hai phương pháp tiết giảm công suất của bóng HPS bằng cắt pha nhờ Triac và điều khiển chấn lưu hai mức công suất

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Khái niệm cơ bản chiếu sáng đô thị

Hệ thống chiếu sáng đô thị bao gồm nhiều thành phần khác nhau, trong đó có thể

kể đến

- Chiếu sáng đường phố phục vụ giao thông

Hình 1: Chiếu sáng trên đường cao tốc

- Chiếu sáng các không gian chức năng của đô thị

- Chiếu sáng trang trí quảng cáo

- Chiếu sáng các công trình kiến trúc và di tích văn hoá lịch sử

Hình 2: Hệ thống chiếu sáng xung quanh hồ Gươm, Hà nội

- Hệ thống đèn tín hiệu điều khiển giao thông, đảm bảo an ninh, trật tự an toàn xã hội

1.2 Các loại nguồn sáng nhân tạo thông dụng[7]

1.2.1 Bóng đèn nung sáng: (Đèn sợi đốt)

Hình 3: Cấu tạo và giản đồ năng lượng của đèn sợi đốt

Hiệu quả phát sáng rất thấp do năng lượng nhiệt tản ra môi trường lớn

Quang thông, tuổi thọ của đèn phụ thuộc mạnh vào điện áp nguồn

Hiện nay không khuyến khích sử dụng trong dân dụng và công nghiệp nhưng vẫn dùng trong chiếu sáng sự cố, chiếu sáng an toàn vì nó làm việc được với điện áp thấp

Đèn huỳnh quang cũng là một loại đèn phóng điện, tuy nhiên bản chất và nguyên

lý phát sáng hoàn toàn khác với đèn phóng điện nên dưới góc độ chiếu sáng nó được xem xét với tư cách là một chủng loại đèn riêng Đèn huỳnh quang có hiệu suất lớn hơn đèn sợi đốt từ 3 đến 5 lần và có tuổi thọ lớn hơn từ 10 đến 20 lần

Hình 5: Cấu tạo bóng đèn huỳnh quang

Hình 6: Sơ đồ đấu dây và giản đồ năng lượng của bóng đèn huỳnh quang

1.2.3 Bóng đèn phóng điện cuờng độ cao (HID)

Loại đèn này làm việc dựa trên hiện tượng phóng điện hồ quang nên được gọi chung là đèn phóng điện cường độ cao (hay đèn HID = Hingh Intentsity Discharge)

 Đặc điểm

Đèn HID có ánh sáng phát ra khá ổn định, không phụ thuộc nhiệt độ môi trường xung quanh nên rất thích hợp cho chiếu sáng đường phố, quảng trường, công viên,…

1.2.4 Đèn phát sáng quang điện (LED: Lighting Emitting Diode)

Cấu tạo cơ bản của đèn LED là hai lớp bán dẫn p và n tiếp xúc nhau Tùy chất liệu của p và n, LED có thể phát ra ánh sáng có màu khác nhau, từ xanh lá cây, đỏ, đến trắng

Do tiêu hao nhiệt rất ít, LED hầu như không nung nóng môi trường xung quanh và khác với các loại bóng đèn khác, ánh sáng LED không gây chói, mỏi mắt, không phát ra tia cực tím Bằng việc ghép nhiều LED nhỏ bằng hạt đỗ với nhau, có thể tạo một môi trường ánh sáng rực rỡ trong một không gian rộng lớn, thậm chí có thể ở nhiệt độ âm 300C Tuy vậy, giá thành LED hiện vẫn còn cao nên ở Việt Nam nó dùng cho quảng cáo là chủ yếu Còn

ở các nước khác đã sử dụng cho khu du lịch, vui chơi giải trí, hàng năm tiết kiệm được rất nhiều tiền điện

1.3 Cấu tạo và các thông số của bộ đèn, thành phần chính của điểm sáng 1.3.1 Cấu tạo của bộ đèn chiếu sáng công cộng

Hình 7: Cấu tạo bộ đèn chiếu sáng công cộng

Hình dáng tấm phản quang phụ thuộc vào yêu cầu phân bố ánh sáng Thông thường tấm phản quang có dạng paraboloit tròn xoay và nguồn sáng đặt ở tiêu điểm thì các tia sáng phản xạ sẽ song song nhau Một số bộ đèn có tấm phản quang dạng elipxoit tròn xoay có nguồn sáng đặt ở một tiêu điểm thì các tia sáng phản xạ sẽ hội tụ về tiêu điểm thứ 2 để tạo thành nguồn sáng điểm Ngoài ra còn có loại tấm phản quang hai múi, gồm hai nửa paraboloit tròn xoay ghép lại, sẽ làm tăng đáng kể hiệu suất của bộ đèn so với loại một múi

Hiện nay bắt đầu sử dụng thiết bị mồi điện tử thay thế cả bộ mồi và chấn lưu kiểu điện cảm được gọi chung là chấn lưu điện tử Đặc điểm là tạo ra xung dòng điện rất hẹp

có tần số cao (trên 20kHz), do đó tạo điện áp mồi lớn, không nhấp nháy, điện áp nguồn thấp vẫn mồi được Nhờ không có chấn lưu sắt từ nên tổn hao nhiệt giảm xuống làm tăng đáng kể hiệu suất của bộ đèn

Hình 9: Thiết bị mồi đèn

 Chấn lưu

Chấn lưu có nhiệm vụ chính là cung cấp điện áp lớn để mồi đèn khi khởi động đèn, ngoài ra khi đèn làm việc bình thường nó làm nhiệm vụ ổn định điểm làm việc, tránh sự dao động điện áp lưới ảnh hưởng đến sự phát sáng của đèn Có các loại chấn lưu sau đây :

Chấn lưu điện trở: Làm giảm hiệu suất của đèn do tiêu thụ năng lượng, hiệu quả mồi đèn không cao

Chấn lưu điện cảm: Không tiêu thụ năng lượng cho việc mồi đèn như điện trở nhưng nó lại tiêu hao năng lượng dưới dạng nhiệt và từ trễ, ngoài ra do tiêu thụ nhiều công suất phản kháng nên làm hệ số công suất cosφ thấp

Chấn lưu điện cảm - tụ điện: Tác dụng như chấn lưu điện cảm nhưng có thêm tụ điện nối tiếp để tăng hệ số công suất cosφ

Chấn lưu điện tử: biến đổi tần số 50Hz thành tần số cao (khoảng vài chục kHz) Không tiêu hao năng lượng, loại trừ được hiện tượng nhấp nháy, kích thước nhỏ gọn nhưng giá thành cao hơn các loại chấn lưu nói trên

1.4 Điểm sáng trong hệ thống chiếu sáng công cộng

Hình 10: Điểm sáng tháp Rùa, hồ Gươm bao gồm một cụm đèn LED RGB

- Một dải đèn

Hình 11: Điểm sáng hầm cầu vượt Kim Liên, gồm dải đèn cao áp

1.4.2 Các thông số cần có cho một điểm sáng

- Vị trí địa lí Giúp điều khiển điểm sáng trên bản đồ dựa trên công nghệ GIS

- Chủng loại điểm sáng: đèn HPS, đèn HID, đèn LED …

- Thông số dòng áp, điện năng tiêu thụ, hệ số lệch pha cosphi

- Thời gian tuổi thọ bóng

- Trạng thái cảnh báo của thiết bị

1.5 Tủ điều khiển chiếu sáng

Nhận lệnh từ tủ điều khiển khu vực để đóng/cắt tuyến đèn mà tủ này cấp nguồn Nếu chậm sau giờ đóng/cắt đèn một khoảng thời gian đặt trước (thay đổi được từ trung tâm tới từng tủ điều khiển chiếu sáng) mà không nhận được lệnh từ tủ khu vực, tủ điều khiển chiếu sáng sẽ tự động ra lệnh đóng/cắt đèn

Về mặt truyền thông, với những tủ điều khiển chiếu sáng ở xa tủ khu vực, các tủ chiếu sáng ở gần hơn sẽ được Bộ quản lý mạng kích hoạt chức năng làm bộ Repeater cho

tủ chiếu sáng đó Điều này rất có lợi vì không phải lắp thêm các bộ khuyếch đại riêng biệt Mỗi một tủ chiếu sáng coi như một Slave trong mạng khu vực hoạt động độc lập với các Slave khác

Đo lường các giá trị dòng điện, điện áp 3 pha và truyền về tủ khu vực Kiểm tra hoạt động của tủ, thông báo về tủ khu vực các sự cố

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ PLC CỦA ECHELON VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỂU KHIỂN ĐIỂM SÁNG THEO

Nhưng mọi thứ đã không đơn giản như vậy với các hệ thống tự động hóa Mỗi nhà sản xuất phát triển hệ thống riêng của họ Không có tiêu chuẩn ngành để làm theo Kết quả là các hệ thống đến từ các nhà sản xuất khác nhau thì không tương thích với nhau được

Khi mà các hệ thống gia tăng dần lên độ phức tạp và mở rộng, những người quản

lý hệ thống trang thiết bị thường xuyên nhận ra rằng chính những sự không tương thích này trở thành chướng ngại cản việc cải tiến hiệu năng vận hành Rất khó hoặc hầu như không thể để tích hợp các hệ thống điều khiển và tự động hóa độc lập trở thành một hệ thống thống nhất

Vấn đề là các hệ thống từ những nhà sản xuất khác nhau thì không thể đổi lẫn cho nhau được Những nỗ lực ban đầu để triển khai tính đổi lẫn ít ỏi hơn nhiều so với việc các nhà sản xuất riêng lẻ đẩy mạnh việc triển khai các hệ thống điều khiển và tự động độc quyền của hộ nhằm chiếm lĩnh hệ thống Với các hệ thống kiểu độc quyền này, nhà quản

lý hệ thống trang thiết bị khóa chặt với một nhà sản xuất Nếu như có một chức năng vận hành nào đó cần thực thi nhưng lại không được cung cấp bởi nhà sản xuất Nếu như có một chức năng vận hành nào đo cần thực thi nhưng lại không được cấp bởi nhà sản xuất thì thật là không may Tệ hơn nữa, với việc không có đối thủ trong các hạng mục mở rộng nâng cấp và thay thế, nhà quản lý hệ thống sẽ bị chịu sự áp đặt giá từ phía nhà sản xuất

Trong lĩnh vực tự động hóa hiện có hai hướng giải quyết liên quan đến các giao thức và tính đổi lẫn Một số nhà phát triển giao thức đã chọn cách giữ phần lớn nội dung giao thức độc quyền đồng thời cho phép các nhà sản xuất phát triển khác thì chọn cách công bố rộng rãi tiêu chuẩn ra công chúng để bất kỳ nhà sản xuất nào cũng có thể phát triển sản phẩm đó

Ba trong số những giao thức đổi lẫn được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay chính là LonMark, BACnet và Modbus Trong khi cả ba giao thức này đều đặt được thành công trong việc triển khai những hệ thống tự động hóa cỏ thể đổi lẫn được, cách mà chúng giải quyết vấn đề đổi lẫn thì lại khác nhau vô cùng Những sự khác nhau này không có nghĩa

là cái nào hơn cái nào, chỉ là khác nhau mà thôi.[8]

2.1.2 Chuẩn mạng Lonworks

Hình 12: Các lĩnh vực ứng dụng mạng Lonworks

Hình 13: Kiến trúc hệ thống mạng mở của Lonworks

LNS Server with VNI

LNS Driver DDE Server OPC Web Service SOAP/XML OpenLDV

TCP/IP TCP/IP

LonWorks Qua mạng Internet

WAN

LON

Enterprise System

Security Integrator

LonWorks LPR router

LonMark đưa ra cách giải quyết theo kiểu khác đối với vấn đề tính đổi lẫn LonMark là giao thức sở hữu độc quyền bởi tập đoàn Echelon Corporation liên kết với Motorola vào đầu thập niên 1990 Tiêu chuẩn LonMark được dựa trên giao thức thông tin

có sở hữu với tên gọi LonTalk Giao thức LonTalk thiết lập một bộ quy tắc quản lý việc giao tiếp thông tin trong một mạng các thiết bị cùng hợp tác Để đơn giản hóa việc thực thi giao thức, Echelon đã chọn làm việc với Motorola để phát triển một chip xử lý thông tin chuyên dụng có tên gọi Neuron Thông qua việc sử dụng con chip xử lý này cùng với các phần mềm hỗ trợ, giao thức thiết lập nên cách mà thong tin được trao đổi giữa các thiết bị Bởi vì phần lớn của giao thức giao tiếp được bao hàm trong con chip xử lý, những người thiết kế và lắp đặt hệ thống có thể tập trung vào các khía cạnh khác của hệ thống

Trong khi LonTalk thiên về vấn đề các thiết bị truyền đạt thông tin như thế nào, nó lại không quan tâm đến nội dung của việc trao đổi thông tin Một giao thức thứ hai tên là LonWorks, định nghĩa nội dung và cấu trúc của thông tin được trao đổi LonWorks là một

hệ thống điều khiển phân bố vận hành trên nền tảng ngang hàng (peer to peer), nghĩa là mọi thiết bị có thể giao tiếp với mọi thiết bị khác trên mạng hoặc là sử dụng cấu hình chủ

tớ (master-slave) để trao đổi thông tin giữa các thiết bị thông minh Nền tảng LonWorks

hỗ trợ một phạm vi rộng các phương tiện trao đổi thông tin

Các thiết bị tương thích với LonWorks giao tiếp với nhau qua một biến mạng chuẩn (SNVT-Standard Network Variable Type) Để một biến mạng SNVT thực thi chức năng, cả hai thiết bị nhận và gửi phải có sự nhận biết chi tiết về cấu trúc SNVT là gì Vì thế mỗi SNVT được định danh bằng một mã số cho phép thiết bị nhận hiểu được đúng dữ liệu truyền tải

Ban đầu LonWorks không định nghĩa mã SNVT đặc thù có ý nghĩa gì Điều này đem đến sự nhầm lẫn giữa các nhà sản xuất đã dùng mã số giống nhau để xác định các vấn đề khác nhau Để loại bỏ sự nhầm lẫn này đồng thời tiêu chuẩn hóa mã SNVT, hiệp hội về tính đổi lẫn cho LonMark (LonMark Interoperability Association) được lập ra năm

1994 Hợp thành bởi hàng trăm nhà sản xuất và tích hợp hệ thống, một trong những mục tiêu chính của hiệp hội này là đặt ra những phương pháp tiêu chuẩn cho việc thiết lập công nghệ LonWorks

Để đảm bảo mọi thiết bị được lắp đặt trong một hệ thống LonMark sẽ hoạt động đúng chức năng với các thiết bị khác, LonMark yêu cầu thiết bị phải được thẩm tra là tuân theo giao thức LonMark để có được logo của LonMark trên nó LonMark sử dụng một công cụ trên nền web để giảm thiểu thời gian và chi phí chứng nhận cho các thiết bị

Một trong những đổi mới gần đây nhất của LonMark là profile mạng (network profile) Ý tưởng phía sau profile mạng là không cần quan tâm đến ai là người làm ra thiết

bị chuyên dụng thực thi chức năng trên mạng từ những điểm (data points) được đặt tên

cho nó Profile mạng định trước này là profile tối thiểu của mọi thiết bị kế nối Các nhà sản xuất có thể thêm vào các mục cho profile định trước này dựa trên sản phẩm chuyên dụng của họ, để đem lại tính linh hoạt đồng thời duy trì được sự đơn giản và tính đổi lẫn

LonWorks cũng được chấp nhận và lưu hành bởi nhiều tổ chức tiêu chuẩn quốc tế ANSI/CEA 709.1 và IEEE 1473-L.[9]

2.2 Công nghệ PLC của Echelon

2.2.1 Giới thiệu:

Những thành tựu khoa học kỹ thuật từ những năm 50 của thế kỷ 20 đã cho phép sử dụng đường dây điện lực để truyền các tín hiệu đo lường, giám sát, điều khiển Cùng với tốc độ phát triển nhanh chóng của các công nghệ khác trong lĩnh vực viễn thông và công nghệ thông tin, hiện nay công nghệ truyền thông tin trên đường dây điện lực PLC (Power Line Communication) mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực thông tin Với việc sử dụng các đường dây truyền tải điện để truyền dữ liệu, công nghệ PLC cho phép kết hợp các dịch vụ truyền tin và năng lượng

Hình 14: Hệ thống truyền thông tin trên đường dây điện lực

Công nghệ truyền thông đường điện PLC (Powerline Communication) cho phép truyền dữ liệu qua hệ thống đường điện gia dụng Khởi đầu của công nghệ truyền thông tin trên đường dây điện lực là hệ thống hỗ trợ đọc công tơ điện Sau đó hệ thống này được phát triển bổ sung thêm các chức năng giám sát, cảnh báo và điều khiển từ chức năng ban đầu là tự động đọc số công tơ, ghi lại và chuyển số liệu về trung tâm, các chức năng giám sát được hoạt động, cảnh báo và điều khiển đã được phát triển

Hình 15: Hệ thống đo lường, giám sát, điều khiển trên đường dây điện lực

2.2.2 Hệ thống truyền thông tin trên đường dây điện lực:

Mạng đường dây hạ thế có thể sử dụng như một hệ thống truyền thông Mạng gồm nhiều kênh, mỗi kênh là một đường truyền vật lý nối giữa trạm con và một hộ dân, có các đặc tính và chất lượng kênh truyền khác nhau và thay đổi theo thời gian Tín hiệu được truyền trên dòng điện xoay chiều 50 Hz sau đó có thể được trích ra bởi một connector kết nối vào đường dây

Mô hình hệ thống truyền thông số sử dụng đường dây điện lực được thể hiện trong hình:

Hình 16: Mô hình hệ thống truyền thông tin số trên đường dây điện lực

Trong mô hình này các tham số quan trọng của hệ thống là trở kháng đầu ra của máy phát Zt và trở kháng đầu vào của máy thu Zl Đường dây điện lực giống như một anten phát/ thu làm cản trở quá trình phát/ thu tín hiệu

Mạch ghép được sử dụng với hai mục đích, thứ nhất nó chặn các tín hiệu xoay chiều 50 Hz gây hại, thứ hai nó xác nhận thành phần chính của tín hiệu phát/ thu nằm trong băng tần được cấp phát cho truyền thông Điều này giúp làm tăng dải động của máy thu và đảm bảo máy phát không đưa nhiễu lên kênh

2.2.3 Đặc tính kênh truyền PLC

Đường dây truyền tải điện không phải được thiết kế để dành cho truyền dữ liệu, do

đó có rất nhiều vấn đề cần được khắc phục Công suất nhiễu trên đường dây điện lực là tập hợp tất cả các nhiễu loạn khác nhau thâm nhập vào đường dây và vào máy thu Các tải được kết nối vào mạng như ti vi, máy tính, máy hút bụi… phát nhiễu và truyền bá qua đường dây điện, các hệ thống truyền thông khác cũng có thể đưa thêm nhiễu vào máy thu

Đường dây điện được ra đời phục vu cho việc truyền năng lượng điện chứ không nhằm mục đích truyền thông tin Khi đưa thông tin truyền trên đó, ta sẽ gặp phải rất nhiều yếu tố gây nhiễu cho tín hiệu Nhiễu trên đường đây điện có thể quy về 4 loại sau:

Nhiễu nền (Background noise)

Nhiễu xung (Implulse noise)

Nhiễu băng hẹp (Narrow band noise)

Nhiễu họa âm (Harmonic noise) [10]

Thực tế đường dây điện lực là một môi trường truyền thông rất nhạy cảm, các đặc tính của kênh vẫn là những vấn đề được nghiên cứu nhằm đưa ra các giải pháp xử lý hiệu quả

2.3 Tìm hiểu chip PL3120 và mô hình quản lý mạng PLC theo chuẩn

Smart Transceiver thực hiện tất cả mạng và xử lý ứng dụng trong suốt quá trình nhúng giao thức LonTalk vào trong firmware của nó Xây dựng giao thức truyền thông

và bộ xử lý loại bỏ là cần thiết cho bất cứ phát triển ứng dụng hay một chương trình trong lĩnh vực này Chương trình trên lớp ứng dụng và cấu hình cần được cung cấp Mã ứng dụng của người dùng có thể lưu trữ trong bộ nhớ với chip PL 3120

Hình 17: Sơ đồ khối Smart Transceiver

Mỗi một Neuron Chip hay Smart Transceiver có 3 bộ xử lý Hai trong ba bộ xử lý

đó tác động qua lại với truyền thông hệ thống con để truyền thông tin giữa các thiết bị trong cùng một mạng Bộ xử lý thứ 2 thực thi các mã ứng dụng

Hình 18: Bộ xử lý của Neuron Chip, hay Smart Transceiver

Bộ xử lý 2 là bộ xử lý mạng (Network processor) thực hiện lớp thứ 3 đến lớp 6 của giao thứcLonTalk Nó thực hiện xử lý các biến mạng (Network variable), địa chỉ, xử lý bước chuyền, phát hiện, chuẩn đoán, phần mềm bộ định thời , quản lý mạng và chức năng định tuyến Bộ xử lý 2 sử dụng bộ đệm mạng trong bộ nhớ chung để giao tiếp với bộ xử

lý 1, và bộ đệm ứng dụng để giao tiếp với bộ xử lý thứ 3 Những bộ đệm này hầu hết được định vị trong bộ nhớ RAM dùng chung Cho phép chúng điều chỉnh với cờ hiệu phần cứng để giải quyết kết nối khi dữ liệu dùng chung được cập nhập

Bộ xử lý 3 là bộ xử lý ứng dụng Chúng thực thi các mã ứng dụng được viết bởi người phát triển cùng với dịch vụ điều khiển hệ thống được gọi bởi mã của người lập trình Ngôn ngữ đầu tiên được sử dụng trong ứng dụng là Neuron C bắt nguồn từ ANSIC được tối ưu hóa tăng cường cho chuẩn LONWORKS

Neuron 3120 Core Smart Transceiver được thiết kế cho những ứng dụng nhỏ và có

bộ nhớ lên tới 4 Kbyte Trong bộ nhớ trong ROM bao gồm firmware và 512 bytes EEPROM

Hình 19: Sơ đồ khối 3120 Smart Transceiver

2.3.1.2 Điều khiển qua mạng điện lưới (Power Line Control Network):

Đường dây điện lực điều khiển mạng, những gói điều khiển có thể gửi trên đường điện xoay chiều hay một chiều với bất cứ hiệu điện thế nào, cũng như trên các đường dây không phải là đương dây điện (ví dụ như đường dây mạng ADSL hay đường dây điện thoại) PL 3120 Power Line Smart Transceiver giao tiếp trên đường dây điện

Đường dây xoay chiều hoạt động ở tần số 50- 60 Hz với dây điện cảm và hiệu ứng tải có thể dễ dàng dẫn đến một sự suy giảm tín hiệu khoảng 40 dB đến 60 dB Thêm nữa, các thiết bị điện như máy tính, motor, máy hut bụi … và các bộ nguồn chuyển mạch đưa nhiễu vào các thiết bị điện chính, đều có thể chặn mức tín hiệu điều khiển trên đường dây điện Bằng cách sử dụng điều chế pha nhị phân và dải hẹp tín hiệu, cho tần số sóng mang thực hiện, thích ứng và truyền tín hiệu tương quan, xung nhiễu sẽ được loại bỏ, Power Line Smart Transceiver có thể thực hiện đáng tin cậy trên bất cứ đường điện có nhiễu

Hình 20: Mạng điều khiển trên đường dây điện

Hoạt động của 2 tần số sóng mang:

Hình 21: Tần số sóng mang

Power Line Smart Tranceiver dùng 2 tần số sóng mang để truyền thông một cách tin cậy cao kể cả có nguồn nhiễu Trong trường hợp một thông điệp xác nhận (acknowledged), gói tín hiệu truyền lúc ban đầu được mang bởi tần số đầu tiên và nếu

thông điệp xác nhận không nhận được gói tín hiệu, gói tín hiệu đó sẽ được tiếp tục truyền lại trên tần số thứ 2 Trong trường hợp mà thông điệp vẫn không nhận được thì gói tín hiệu sẽ được truyền trên cả 2 tần số này

Trong một ứng dụng thích hợp nào đó thì tần số 1 và tần số 2 hoạt động trên dải A- Band như hình vẽ trên Tương tự như thế trong một ứng dụng khác tần số thứ nhất hoạt động trên dải C- Band trong khi đó thì tần số thứ 2 hoạt động trên giải B- Band và nó được đặt tên là CENELEC

Power Line Smart Transceiver truyền 5.4 kilobits/s trong dải tần C- Band hay 3.6 kilobits/s trong dải tần A- Band tương ứng với một gói tín hiệu truyền với tốc độ 20 và 13 gói/s

2.3.2 Neuron C

Neuron C là một ngôn ngữ lập trình được phát triển trên chuẩn ANSI C Neuron C được thiết kế cho Neuron Chips và Smart Transceivers Nó bao gồm các giao tiếp mạng, I/O cà các sự kiện được chỉnh lý mở rộng từ ANSI C Neuron C là một công cụ hữu dụng cho sự phát triển của các ứng dụng Lonworks

Neuron C được cài đặt tất cả các kiểu cơ bản của ANSI C và thêm vào đó là những biến đổi và bổ sung cần thiết để tạo lên ngôn ngữ Neuron C Các biến mạng (Network Variable) là nhân tố chính trong ngôn ngữ lập trình Neuron C và các ứng dụng Lonworks Biến dữ liệu Network được xây dựng trong ngôn ngữ Neuron C và hỗ trợ Firmware của

hệ thống để cung cấp mọi thứ giống như một biến trong ngôn ngữ C đó là khả năng kết nối một hoặc một số thiết bị trong mạng Lonworks Biến Network tạo nên một đặc trưng riêng cho các thiết bị Lonworks [12]

Các biến mạng, các đặc trưng cấu hình và các khối chức năng trong Neuron C có thể sử dụng theo một kiểu chuẩn và liên kết Kiểu chuẩn dữ liệu được sử dụng dùng để kết nối giữa các thiết bị hoàn toàn khác nhau trong mạng Lonworks Đối với đặc trưng cấu hình chuẩn đó gọi là kiểu chuẩn đặc trưng cấu hình (SCPTs) Đối với biến mạng chuẩn đó được gọi là kiểu biến mạng (SNVTs) Đối với các khối chức năng chuẩn đó được gọi là mẫu chuẩn chức năng Nếu người dùng không tìm thấy các kiểu chuẩn, Neuron C có thể cung cấp đầy đủ các hỗ trợ cho người dùng các kiểu biến mạng (UNVTs), kiểu đặc trưng cấu hình (UCPTs) và mẫu chức năng (UFPTs)

Một điều khác giữa ngôn ngữ C và Neuron C đó là: Chuẩn Lonwork thực hiện theo

sự kiện để điều khiển hệ thống của chương trình ứng dụng thực thi theo sự kiện, khi một điều kiện trở thành TRURE, thân chương trình liên kiết với điều khiện để thực thi Các sự kiện được định nghĩa thông qua mệnh đề “WHEN” Một mệnh đề “WHEN” là một biểu thức, nếu biểu thức đó đúng thì phần thân code ở phía dưới của mệnh đề tiếp tục được thực hiện cho tới khi hoàn hành Nhiều mệnh đề “WHEN” đều có thể thực hiện một lệnh điều khiển

Các thành phần của một chương trình Neuron C:

Thư viện (Include File)

Tiền biên dịch #pragma

Khai báo các cổng I/O

Khai báo các biến mạng, cấu hình đặc trung và các khối chức năng

Ứng dụng của các timer

Các sự kiện và thực thi

Trình biên dịch Neuron C sử dụng trong đề tài này là một trình biên dịch Neuron C rút gọn nằm trong bộ công cụ Echelon Mini EVK, thích hợp cho việc nghiên cứu và phát triển ban đầu Hạn chế của nó là chưc có công cụ soạn thảo hoàn chỉnh như bộ NodeBuilder (bộ này bao gồm đầy đủ các môi trường phát triển, soạn thảo, biên dịch, debug, deployment )

Hình 22: Trình biên dịch Neuron C trong bộ kit Mini EVK của hãng echelon

2.3.3 Mô hình quản lý biến mạng

Theo chuẩn Lonworks có 2 mô hình quản lý biến mạng đó là:

 Mô hình ISI ( Interoperable Self- Installation): Cung cấp dịch vụ quản lý mạng mà không sử dụng công cụ quản lý mạng cho phép tự liên kết với nhau

mà không qua cài đặt Một mạng ISI đơn giản chỉ điều khiển được nhiều nhất

là 32 thiết bị được gọi là S và có thể quản lý 200 thiết bị được gọi là

ISI-DA Đây còn được gọi là quản lý biến mạng dạng phân tán

 Mô hình sử dụng công cụ quản lý mạng (Network Management Tool) được gọi là Smart Server, với công cụ này giúp người lập trình giao tiếp mở rộng ra với cả mạng Internet và việc quản lý các biến mạng hay các thiết bị cũng đơn giản hơn rất nhiều.[13]

Trong đề tài này em chọn mô hình quản lý mạng bằng Smart Server vì các lý do:

Có thể mở rộng ứng dụng phù hợp với việc phát triển đề tài này và việc quản lý các biến mạng cũng đơn giản hơn

2.3.3.1 Quản lý mạng (Network Management)

Thiết bị quản lý mạng cung cấp những chức năng cần thiết để đáp ứng của thiết kế

và xác nhận một điều khiển mạng Chức năng quản lý mạng bao gồm việc :

 Thêm thiết bị (adding devices) và điều khiển thiết bị (commissioning devices)

 Liên kết các điểm dữ liệu ( binding data point) để tạo liên kết logic giữa các thiết bị với nhau

 Cấu hình các tham số của thiết bị

 Standalone Network Manager (quản lý mạng tự trị)

 Standalone LNS Network Tool

 Synchronized LNS Network Tool

Với ứng dụng trong đề tài này thì việc chọn chế độ quản lý mạng tự trị là thích hợp nhất

2.3.3.2 Quản lý mạng tự trị

Hình 24: Mô hình quản lý mạng tự trị

Người sử dụng có thể sử dụng SmartServer với chế độ quản lý mạng tự trị cho mục đích sử dụng cho một số kênh mạng nhỏ mà không đòi hỏi phải dùng LNS services (có thể nối các mạng Lonworks này tới mạng Lonworks khác) Với chế độ quản lý mạng tự trị thì tất cấu hình mạng được chứa bên trong cơ sở dữ liệu của SmartServer

Trong chế độ tự trị, các chức năng mạng giống như hệ thống chủ tớ (master- slave), với SmartServer là thiết bị chủ và các thiết bị là thiết bị tớ Các điểm dữ liệu được kết nối sử dụng WebBinding hỏi vòng (polled), tức là SmartServer sẽ hỏi vòng điểm dữ liệu đầu ra với các giá trị mà người lập trình xác định bên trong và sau đó gửi các giá trị liên kết với điểm dữ liệu đầu vào

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐẾN TỪNG ĐIỂM SÁNG TRONG HỆ THỐNG CHIẾU

SÁNG ĐÔ THỊ 3.1 Hạn chế của mô hình giám sát và điều khiển ở cấp tủ khu vực

3.1.1 Mô hình chung

Như ta đã biết, mô hình hệ thống chiếu sáng ở cấp tủ khu vực:

Hình 25: mô hình hệ thống chiếu sáng ở cấp tủ khu vực

Mô hình coi tủ điều khiển khu vực là đơn vị điều khiển nhỏ nhất trong hệ thống Các hoạt động của hệ thống chủ yếu thực hiện ở cấp khu vực, tương đương một dãy đèn trong một tuyến phố như: điều khiển, tiết giảm, giám sát, cảnh báo…[14]

3.1.2 Điều khiển tiết giảm

3.1.2.1 Tiết giảm tại tủ khu vực bằng cách cắt pha

Mô hình này sử dụng hai khởi động từ để thực hiện việc tiết giảm

Lưới điện cung cấp cho dãy đèn chiếu sáng ở khu vực được cấp từ một biến áp 3 pha riêng lấy điện từ lưới điện quốc gia

Cấp điều khiển 1

Trung tâm điều khiển

Tủ đk khu vực

Tủ đk khu vực

Các điểm sáng trên dãy đèn sẽ được mắc vào các pha theo thứ tự xen kẽ nhau Pha

1 sẽ nối với điểm sáng : số 1, 4, 7 Pha 2 nối với điểm sáng số 2, 5, 8 Pha 3 nối với điểm sáng số : 3, 6, 9 (như hình dưới)

Để chiếu sáng 100% phụ tải : Khởi K1 và K2 sẽ hút 3 pha điện sẽ cấp cho cả 3 pha đèn

Để chiếu sáng 70% phụ tải : chỉ có khởi K1 hút, sẽ chỉ có pha 2 và pha 3 được cấp điện Như vậy cứ 2 bóng lại có 1 bóng không sáng đan xen như vậy

Để chiếu sáng 30% phụ tải : chỉ có khởi K2 hút, sẽ chỉ có pha 1 được cấp điện Như vậy cứ 1 bóng lại có 2 bóng không sáng đan xen như vậy

Đây là mô hình phổ biến ở các đô thị nhỏ hiện nay Việc thực hiện đóng cắt tự động thường nhờ vào các bộ Relay thời gian Điều khiển theo mô hình vòng hở, không có

sự hồi tiếp các thông số, không có giám sát từ bất kỳ trung tâm nào

Hình 26: Tiết giảm tại tủ khu vực bằng cách cắt pha

Nhược điểm:

Nhược điểm chính của mô hình này là hiệu suất chiếu sáng không đồng đều trên toàn dãy đèn, rất nguy hiểm khi điểm sáng bị cắt ở những nơi quan trọng, khúc cua tối và hẹp Gây ức chế cho người điều khiển phương tiện khi di chuyển trong điều kiện ánh sáng chỗ sáng chỗ tối Khó khăn trong việc cân bằng tải 3 pha gây ra hao phí điện năng

3.1.2.2 Tiết giảm tại tủ khu vực bằng biến áp tự ngẫu điện áp ra thay đổi được

Mô hình này sử dụng ba biến áp tự ngẫu, có số vòng cuộn ra thay đổi được nhờ các chổi than quét trên cuộn dây vào Các biến áp này có cấu tạo như bộ ổn áp Lioa của công

ty Nhật Linh nhưng không phải chỉ để ổn định điện áp ở 220V mà dùng để giảm điện áp nuôi 3 pha đèn, qua đó làm giảm công suất trên bóng

Hình 27: Tiết giảm tại tủ khu vực bằng biến áp tự ngẫu điện áp ra thay đổi được

3.2 Mô hình ứng dụng mạng GSM/GPRS trong điều khiển và giám sát hệ

Thiết bị lắp đặt tại tủ và trao đổi dữ liệu với trung tâm qua mạng GSM/GPRS: thiết

bị này có chức năng nhận lệnh điều khiển và đặt thời gian đóng cắt cho tủ chiếu sáng từ trung tâm Thiết bị tại tủ có chức năng đo I,V, Công năng tiêu thụ điện và độ trễ pha của các tủ chiếu sáng

Phần mềm và các thiết bị điều khiển giám sát, hiển thị và cơ sở dữ liệu tại trung tâm: Cơ sở dữ liệu được đặt tại trung tâm và trên máy Server, có các máy trạm để giám sát và điều khiển cho người vận hành làm việc, Bảng hiển thị được thiết kế trên 04 màn hình LCD cỡ lớn để hiện thị trạng thái và cảnh báo cho các tủ chiếu sáng

Hệ thống điều khiển đèn chiếu sáng thành phố cần được xây dựng theo cấu trúc phân cấp, chia làm hai cấp điều khiển:

 Cấp điều khiển 1: Trung tâm điều khiển-giám sát

Điều khiển đóng/cắt tới bất kỳ một tủ chiếu sáng nào

Giám sát được các thông số : điện áp từng pha nguồn, dòng điện làm việc mỗi pha, trạng thái đóng cắt (bật/tắt) của cơ cấu chấp hành tại mỗi tủ điều khiển chiếu sáng

Thay đổi thời gian và chế độ đóng cắt tự động của từng tủ điều khiển chiếu sáng Lưu trữ số liệu về các thông số làm việc, tình trạng hoạt động của tất cả các tủ điều khiển chiếu sáng

Phát tín hiệu cảnh báo khi có sự cố (lỗi đường truyền, thông số làm việc vượt ngưỡng cho phép )

 Cấp điều khiển 2: Tủ điều khiển chiếu sáng

Nhận và thực hiện lệnh điều khiển đóng/cắt từ trung tâm

Đo các thông số làm việc và trả số liệu cho trung tâm khi có yêu cầu

Nếu đến thời điểm đóng/cắt mà không nhận được lệnh từ trung tâm thì tủ điều khiển chiếu sáng sẽ tự động điều khiển đóng cắt lưới đèn

3.2.2 Phần mềm ứng dụng

Chương trình trên máy tính trung tâm có màn hình giám sát thể hiện được hoạt động của hệ thống, đồng thời có giao diện thân thiện với người vận hành, dễ sử dụng Thông qua mạng cục bộ và hệ quản trị cơ sở dữ liệu, máy tính tại trung tâm sẽ quản lý và lưu trữ số liệu về hoạt động của hệ thống, lập báo cáo, in ấn theo yêu cầu Ngoài ra, công việc sửa chữa, thay thế hàng ngày các lưới đèn chiếu sáng cũng có thể được lưu trữ để phục vụ công tác quản lý

3.2.3 Ưu và nhược điểm của hệ thống

Ưu điểm:

Hệ thống có khả năng tích hợp với hạ tầng cơ sở sẵn có của phần lớn các đô thị hiện nay ở Việt Nam Việc lắp đặt cũng hoàn toàn đơn giản, không phải thiết kế thêm đường dây đi ngầm như các việc truyền thông có dây (sử dụng modem dial-up, modem ADSL) Lắp đặt nhanh chóng, kể cả những nơi ở xa trung tâm điều khiển, miễn là nơi đó

có sóng điện thoại di động Chi phí giám sát, vận hành, bảo dưỡng nhỏ

Như đã nói ở phần trên để tối ưu mô hình điều khiển giám sát qua GPRS, cần nâng cấp

hệ thống ở mức điều khiển bên dưới tủ chiếu sáng khu vực Có như vậy mới triệt để hoá trong vấn đề tiết giảm công suất tối ưu

3.3.1 Mô hình giám sát và điều khiển đến từng điểm sáng ứng dụng công nghệ

không dây (Wireless)

Hình 29: Mô hình giám sát và điều khiển đến từng điểm sáng trong hệ thống chiếu sáng

đô thị

3.3.1.1 Giải pháp của mô hình

Ở mô hình này, việc giám sát và điều khiển từ tủ chiếu sáng khu vực đến các điểm sáng được thực hiện thông qua kênh truyền không dây.[15]

3.3.1.2 Hạn chế

Truyền thông qua sóng radio rất dễ bị tạp nhiễu bởi các nguồn phát tín hiệu khác

và nhất là trong đô thị phát triển

Đã là sóng radio thì việc quản lý tài nguyên tần số là điều chắc chắn phải tính đến Phải xin cấp phát tần số ở cục quản lý tần số vô tuyến điện

Trong một thế giới đang phát triển, các thiết bị di động càng ngày càng phổ biến Ô nhiễm sóng điện từ là một nguy cơ hiện hữu Bởi vậy việc phát triển mô hình sử dụng sóng điện từ làm môi trường truyền dẫn sẽ không phải là phương án lâu dài Cần có phương pháp truyền dẫn có dây khác thích hợp nhưng vẫn phải đảm bảo không cần nâng

cấp hạ tầng cơ sở chiếu sáng sẵn có, không cần phải thiết kế ngầm thêm các đường truyền mới

Từ những hạn chế trên, việc ứng dụng công nghệ truyền tải tín hiệu trên đường điện lưới vào hệ thống chiếu sáng đô thị là thích hợp

3.3.2 Mô hình giám sát và điều khiển đến từng điểm sáng ứng dụng công nghệ

truyền thông qua đường điện lưới (PLC)

Sơ đồ tổng thể mô hình:

Hình 30: Mô hình giám sát và điều khiển đến từng điểm sáng ứng dụng công nghệ truyền

thông qua đường điện lưới (PLC)

Đường truyền PLC

Đường truyền PLC

Tủ điều khiển khu vực

Tủ điều khiển khu vực

Tủ điều khiển khu vực

Hình 31: Mô hình giám sát và điều khiển đến từng điểm sáng ứng dụng công nghệ truyền

thông qua đường điện lưới (PLC)

3.3.2.1 Giải pháp của mô hình

Ở mô hình này, việc giám sát và điều khiển từ tủ chiếu sáng khu vực đến các điểm sáng được thực hiện thông qua kênh truyền powerline Công nghệ này sử dụng chính

đường cáp điện lực làm môi trường truyền dẫn tín hiệu giám sát và điều khiển

Mỗi dãy đèn được coi như một mạng con nhỏ, mỗi điểm sáng là một nút mạng Ví dụ: như trong chuẩn Lonworks, mỗi điểm sáng được coi như một Node Được cấp phát

các tài nguyên như node ID, segment ID, … giống như các mạng TCP/IP

3.3.2.2 Ưu điểm của mô hình

Tích hợp dễ dàng với hạ tầng cơ sở sẵn có của hệ thống chiếu sáng ở hầu hết các

đô thị Không phải thiết kế các đường tín hiệu ngầm thêm, tận dụng cáp điện lực làm môi

trường truyền tải

Không phát xạ sóng điện từ gây ô nhiễm radio

Ít bị tạp nhiễu bởi các nguồn nhiễu khác

Truyền thông qua mạng GPRS/3G

Truyền thông qua đường cáp điện

CS (PLC)

Tủ đk CS khu vực SmartServer

Tủ đk CS khu vực SmartServer

3.3.3 Các phương pháp tiết giảm công suất có thể sử dụng khi điều khiển đến từng

điểm sáng

3.3.3.1 Tiết giảm công suất sử dụng chấn lưu 2 mức công suất

Hình 32: Sơ đồ chấn lưu 2 mức công suất

Nguyên lý hoạt động giống như chấn lưu sắt từ thường nhưng có thêm một đầu ra Được thiết kế với 2 công suất ra

Ưu điểm: Giá thành rẻ, độ chống chịu với môi trường thời tiết cao, kể cả điều kiện

thời tiết khắc nghiệt như ở Việt Nam Dễ dàng lắp đặt bảo trì

Nhược điểm: số mức tiết giảm cố định (chỉ có 1 mức tiết giảm), do vẫn dựa trên

nguyên lý cũ của chấn lưu sắt từ nên vẫn có tổn hao về điện dù đã được nhiều hãng nghiên cứu và tối ưu hoá thiết kế

3.3.3.2 Tiết giảm công suất sử dụng bộ cắt pha Triac

Hình 33: Sơ đồ chấn bộ cắt pha Triac

Dựa trên nguyên lý cắt pha bằng triac Mục đích là giảm điện thế hiệu dụng qua đó giảm công suất tiêu thụ trên đèn

Ưu điểm: Giá thành tương đối rẻ, dễ sản xuất, có nhiều mức tiết giảm công suất

hơn sử dụng ballast sắt từ

Nhược điểm: Do cắt pha nên dạng xung của điện áp đầu ra bộ tiết giảm bị méo

dạng làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của thiết bị chiếu sáng

Hình 34: Nguyên lý hoạt động điều khiển độ sáng bóng đèn