Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa

Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng thực hiện việc giám sát hệ thống điện qua thiết bị theo dõi các thông số kỹ thuật chính của nguồn điện như: kW, kVA, kVAr.... Hệ thống năng lượng

NGUYỄN NĂNG TOẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS ĐINH HOÀNG BÁCH

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 03 tháng 05 năm 2014

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

2 TS Nguyễn Thanh Phương Phản biện 1

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Năng Toại Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 16/10/1985 Nơi sinh: Hải Dương

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 1241830037

I- Tên đề tài: Hệ Thống Quản Lý Và Giám Sát Năng Lượng Từ Xa

II- Nhiệm vụ và nội dung:

Nhiệm vụ:

- Nghiên cứu các chuẩn truyền dẫn phổ biến RS-232, RS-485

- Nghiên cứu các chuẩn truyền thông phổ biến Modbus RTU, Modbus TCP/IP

- Thiết kế giao diện SCADA thu thập dữ liệu

Nội dung

- Tổng quan về hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa

- Một số chuẩn và giao thức truyền thông ứng dụng trong hệ thống

- Thiết kế một hệ thống thành phần: xây dựng cấu hình của hệ thống, thiết kế

phần cứng và xây dựng phần mềm cho hệ thống nhằm thực hiện công việc đo

lường các tải Thử nghiệm kết quả và khả năng ứng dụng của hệ thống

Kết quả đạt được:

- Ứng dụng phần mềm DAQFactory vào việc quản lý năng lượng và thu thập dữ

liệu

III- Ngày giao nhiệm vụ:

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

V- Cán bộ hướng dẫn: TS ĐINH HOÀNG BÁCH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Năng Toại

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn TS.ĐINH HOÀNG BÁCH – Trưởng Bộ Môn Kỹ Thuật Điện Trường Đại Học Tôn Đức Thắng, người thầy đã hết lòng chỉ bảo, hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức chuyên môn cũng như những kinh nghiệm nghiên cứu trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn này

Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ - Điện –

Điện tử, Phòng quản lý sau đại học của Trường Đại Học Công nghệ Tp.HCM đã

tạo những điều kiện tốt nhất về vật chất lẫn tinh thần để chúng tôi hoàn thành tốt luận văn này

Xin chân thành cám ơn đến tất cả Quí Thầy, Cô của Trường Đại Học Công

nghệ Tp.HCM đã giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức rất bổ ích và quí báu trong suốt quá trình học tập cũng như nghiên cứu sau này

Xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và đặc biệt là nhóm thực nghiệm chung Trường Đại Học Công nghệ Tp.HCM dưới sự hướng dẫn của Thầy Đinh Hoàng Bách người luôn giành những tình cảm sâu sắc nhất, giúp đỡ và khuyến khích tôi để cùng vượt qua mọi khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Xin cảm ơn Gia đình đã tạo mọi điều kiện để tôi yên tâm học tập tốt trong

suốt thời gian vừa qua

Xin cảm ơn tất cả bạn bè thân thuộc đã động viên, tạo điều kiện thuận lợi và

hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong quá trình học tập, công tác cũng như trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Nguyễn Năng Toại

TÓM TẮT

Năng lượng là yếu tố vô cùng quan trọng đời sống và càng quan trọng hơn trong quá trình sản xuất và kinh doanh của doanh nghiệp Bài toán đặt ra cho các nhà quản lý là làm sao quản lý tòa nhà và nhà máy, xí nghiệp hiệu quả nhất để giảm chi phí, tiết kiệm năng lượng ở mức tối đa, tạo thuận lợi cho doanh nghiệp trong những hoạt động kinh doanh Việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả không đồng nghĩa với việc cắt giảm năng lượng dù bị thiếu hụt hoặc chúng ta không sử dụng năng lượng mà phải hiểu đúng rằng sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả

là việc áp dụng các biện pháp quản lý và kỹ thuật nhằm giảm tổn thất, giảm mức tiêu thụ năng lượng của phương tiện, thiết bị mà vẫn đảm bảo nhu cầu, mục tiêu đặt

ra đối với quá trình sản xuất và đời sống Phương án tối ưu hiện nay là thiết lập hệ thống tự động hóa giám sát và quản lý năng lượng

Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng sẽ giám sát toàn bộ hệ thống năng lượng của tòa nhà, nhà máy hay khu công nghiệp giúp nâng cao hiệu quả công trình, hiện đại hoá, tiết kiệm điện năng tiêu thụ, bảo vệ môi trường

Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng thực hiện việc giám sát hệ thống điện qua thiết bị theo dõi các thông số kỹ thuật chính của nguồn điện như: kW, kVA, kVAr Hệ thống năng lượng hóa thạch như xăng, dầu, gas….Đây là những thông số cần được giám sát chặt chẽ vì có ảnh hưởng rất lớn tới việc vận hành tất cả thiết bị sử dụng điện của tòa nhà hay công nghiệp Quản lý tốt các tham số này đồng nghĩa với việc giảm chi phí vận hành của tòa nhà, hệ thống sản xuất nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị Các tham số đều được đo bằng bộ đo đếm năng lượng kỹ thuật

số nối mạng, thể hiện thông số trên màn hình máy tính và lưu trữ dữ liệu Trong khuôn khổ luận văn này sẽ nghiên cứu cấu trúc của một hệ thống quản lý và giám sát năng lượng từ xa

ABSTRACT

Energy is a vital element of life, and even more important in the production and sales of businesses The problem posed for managers is how to manage and buildings and factories, the most efficient enterprises to reduce costs, save energy at maximum level, to facilitate the operation of the business business The use of energy saving and efficiency is not synonymous with cutting energy deficit or whether we do not use that energy to properly understand that the use of energy saving and efficiency is the application of management practices and techniques to reduce losses, reduce energy consumption of the vehicle, while maintaining equipment needs, set objectives for the production and life Optimal current plan is

to establish automated system monitoring and energy management

System monitoring and energy management will oversee the entire energy system of the building, factories or industrial parks to enhance work efficiency, modernization, power consumption saving, environmental protection school

System monitoring and energy management perform surveillance system tracking device power through the main specifications of the power supply as: kW, kVA, kVAr fossil energy systems, such as gasoline, oil, gas these are the parameters that need to be closely monitored because there is a huge impact to the operation of all electrical appliances or industrial buildings Good management of this parameter means that the operating costs of the building, manufacturing systems improve efficiency equipment These parameters are measured by measuring the power of digital networking, parameters shown on the computer screen and data storage In the framework of this will study the structure of a management system and remote power monitoring

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC CÁC HÌNH x

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1

1.1 Lý do chọn đề tài trang 1

1.2 Giới thiệu một số hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa trong thực tế 4

1.2.1 Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua sóng vô tuyến RF 4

1.2.2 Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua bộ truyền tải tín hiệu thông qua đường dây điện 6

1.3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 7

1.4 Mục tiêu của đề tài 8

1.5 Nội dung nghiên cứu 8

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Cấu trúc truyền thông 9

2.2 Các tiêu chuẩn truyền dẫn trong công nghiệp 11

2.2.1 Giới thiệu về truyền dẫn qua chuẩn RS-232 11

2.2.2 Chuẩn truyền dẫn RS-485 12

2.3 Giao thức truyền thông 18

2.3.1 Giao thức truyền thông ngang hàng 19

2.3.2 Giao thức mạng Ethernet 19

2.3.3 Giao thức mạng Modbus 20

2.3.3.1 Khái niệm tổng quát 20

2.3.3.2 Phân loại 21

2.3.3.3 Nguyên tắc hoạt động của Modbus RTU 22

2.3.3.4 Nguyên tắc hoạt động của Modbus TCP/IP 25

2.3.3.5 Ứng dụng của giao thức Modbus 26

Chương 3

CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG MẠNG CỦA MÔ HÌNH 28

3.1Các thành phần và cấu trúc của hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa ……… 28

3.1.1 Cấu trúc hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa 29

3.1.2 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống……… 30

3.2 Hệ thống mạng Master-Slave 31

3.3 Master - DAQFactory 31

3.3.1 Giới thiệu về DAQFactory 31

3.3.2 Các chức năng chính của DAQFactory 31

3.4 Đồng hồ điện đa năng Selec EM-368C 32

3.4.1 Giới thiệu về EM-368C 32

3.4.2 Đặc tính của EM-368C 33

3.4.3 Khả năng kết nối 34

3.4.4 Bảng địa chỉ các tham số chính cho mạng Modbus 35

3.4.5 Các kiểu đấu dây 36

3.5 PLC S7-1200 38

3.5.1 Tổng quan PLC S7-1200 38

3.5.2 Tính năng của PLC S7-1200 39

3.5.3 Modbus trong PLC S7-1200 40

3.6 Bộ chuyển đổi RS-232/422/485↔TCP/IP 42

3.6.1 Các tính năng của thiết bị 42

3.6.2 Chế độ hoạt động 43

3.6.3 Chức năng các cổng kết nối 43

3.6.4 Ứng dụng tiêu biểu 45

3.7 Hub mạng 45

Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TỪ XA 4.1 Thiết kế phần cứng 47

4.2 Thiết kế phần mềm 48

4.2.1 Thiết lập kiểu truyền thông 49

4.2.1.1 Thiết lập cho đồng hồ EM-368C 49

4.2.1.2 Thiết lập cho PLC S7-1200 50

4.2.2 Thiết lập Channels 51

4.2.3 Thiết kế giao diện 54

4.2.4 Thể hiện thông số qua đồ thị 55

4.2.5 Thiết lập cảnh báo Alarm 56

4.2.6 Lập bảng lưu trữ dữ liệu 59

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI……….64

5.1 Kết luận 64

5.2 Hạn chế của đề tài 65

5.3 Hướng phát triển của đề tài 65

Tài liệu tham khảo……… 66

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

PLC - Power Line Communication: truyền thông trên đường dây điện

SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition: hệ thống điều khiển giám sát

và thu thập dữ liệu

OSI - Open Systems Interconnection: kết nối các hệ thống mở

PLC - Programmable Logic Controller: thiết bị điều khiển lập trình được

LAN - Local Area Network: mạng máy tính cục bộ

WAN - Wide Area Network: mạng diện rộng

CRC - Cyclic Redundancy Check: mã phát hiện lỗi

PC - Personal Computer: máy tính cá nhân

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Các thông số quan trọng của RS-485

Bảng 2: Thông số của các phương pháp

Bảng 3: Các mã chức năng

Bảng 4: Địa chỉ thanh ghi theo chuẩn Modbus

Bảng 5: Địa chỉ các chức năng chính của đồng hồ EM-368C Bảng 6: Địa chỉ modbus TCP của PLC S7-1200

Bảng 7: Thiết lập các thông số chính cho dữ liệu

Hình 2.3: Sơ đồ bộ kích thích (driver) và bộ thu (receiver) RS-485

Hình 2.4: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485

Hình 2.5: Định nghĩa một tải đơn vị

Hình 2.6: Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn

Hình 2.7: Cấu hình mạng RS485

Hình 2.8: Dây xoắn đôi

Hình 2.9: Cấu hình mạng RS-485 sử dụng 4 dây

Hình 2.10: Các phương pháp chặn đầu cuối RS-485

Hình 2.11: Giao thức Modbus tương ứng với lớp 7 của mô hình OSI

Hình 2.12: Kết nối dây home run so với Modbus

Hình 2.13: Cấu trúc kết nối

Hình 3.1: Quy trình hoạt động của hệ thống

Hình 3.2: Cấu trúc hệ thống quản lý và giám sát năng lượng

Hình 3.3: Mô phỏng các chức năng chính của DAQFactory

Hình 3.4 : Đồng hồ điện đa năng EM-368C

Hình 3.5: Sơ đồ kết nối đồng hồ EM-368C trong mạng điện 3 pha, 4 dây

Hình 3.6: Sơ đồ kết nối đồng hồ EM-368C trong mạng điện 3 pha, 3 dây

Hình 3.7: Sơ đồ kết nối đồng hồ EM-368C trong mạng điện 3 pha

Hình 3.8: Sơ đồ kết nối đồng hồ EM-368C trong mạng 1 pha

Hình 3.9: Sự kết hợp của HMI, PLC và phần mềm

Hình 3.10: CPU và các module mở rộng

Hình 3.11: Cổng kết nối Ethernet

Hình 3.12: Bộ chuyển đổi RS-232/422/485↔TCP/IP

Hình 3.13: Sơ đồ kết nối bộ ATC-1000 với PC

Hình 3.14: Sơ đồ kết nối bộ ATC-1000 chuẩn RS-422

Hình 3.15: Sơ đồ kết nối bộ ATC-1000 chuẩn RS-485

Hình 3.16: Hub mạng D-Link

Hình 4.1: Thi công hệ thống

Hình 4.2: Giao diện khởi động của DAQFactory

Hình 4.3: Giao diện thiết lập truyền thông

Hình 4.4: Thiết lập kiểu truyền thông cho đồng hồ EM-368C Hình 4.5: Thiết lập kiểu truyền thông cho PLC S7-1200 Hình 4.6: Tạo thông số các biến

Hình 4.7: Các tham số đã được thiết lập

Hình 4.8: Đồ thị phụ tải và các thông số của đồng hồ đo Hình 4.9: Cài đặt điều kiện báo động

Hình 4.10: Giao diện xử lý lỗi

Hình 4.11: Chọn các tham số để lưu trữ dữ liệu

Với công nghệ lạc hậu, thiết bị cũ kỹ, ý thức tiết kiệm trong sử dụng năng lượng của từng đơn vị và cá nhân trong xã hội chưa thành tiềm thức, tự giác là các nguyên nhân dẫn đến hiệu quả sử dụng năng lượng của nước ta còn rất thấp Hiệu suất sử dụng năng lượng trong các nhà máy nhiệt điện chỉ đạt 28-32% (thấp hơn mức trung bình của thế giới chừng 10%) Hiệu suất các lò hơi công nghiệp chỉ đạt 60% (thấp hơn mức trung bình của thế giới khoảng 20%) Trong sản xuất công nghiệp (hộ tiêu thụ lớn nhất, chiếm hơn 50% năng lượng phát ra), suất tiêu hao năng lượng thấp hơn nhiều không chỉ so với các nước tiên tiến mà so ngay với cả các nước trong khu vực.[11]

Đối với nguồn năng lượng hóa thạch của nước ta đang suy giảm dần do trữ lượng có hạn mà nhu cầu sử dụng ngày càng lớn, kèm theo đó là việc tiêu thụ năng lượng này đang gây ra ôi nhiễm môi trường nghiêm trọng Vì vậy việc kiểm soát và

sử dụng hiệu quả là vấn đề cấp thiết

Đối với nguồn năng lượng điện hiện nay công tác kiểm tra mức tiêu thụ điện năng của khách hàng vẫn sử dụng phương pháp thủ công Phương pháp này bộc lộ khá nhiều nhược điểm như: mất nhiều thời gian, trong một thời điểm không thể kiểm soát được mức tiêu thụ điện năng của các hộ tiêu thụ, không kiểm soát được

mức tiêu thụ ở các pha do đó gây khó khăn cho việc xây dựng kế hoạch cân bằng pha trong tương lai, khó phát hiện được các hành vi gian lận điện năng

Vì vậy, để đáp ứng nhu cầu mang tính thực tiễn cao này nên tôi đã chọn đề tài “ Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa”

- Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng là gì?

Quản lý năng lượng là việc tổ chức thực hiện sử dụng năng lượng một cách tiết kiệm và hiệu quả nhằm đạt được lợi nhuận cao nhất (chi phí thấp nhất) và nâng cao năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả không đồng nghĩa với việc cắt giảm năng lượng dù bị thiếu hụt hoặc chúng ta không

sử dụng năng lượng mà phải hiểu đúng rằng sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả là việc áp dụng các biện pháp quản lý và kỹ thuật nhằm giảm tổn thất, giảm mức tiêu thụ năng lượng của phương tiện, thiết bị mà vẫn đảm bảo nhu cầu, mục tiêu đặt ra đối với quá trình sản xuất và đời sống

- Tầm quan trọng của Quản lý năng lượng

Quản lý năng lượng là chìa khóa để tiết kiệm năng lượng trong tổ chức của bạn Các tổ chức thương mại, công nghiệp và chính phủ, trong những năm gần đây đang phải chịu những áp lực to lớn về kinh tế và môi trường Việc nâng cao sức cạnh tranh về kinh tế trên thị trường toàn cầu và đáp ứng các tiêu chuẩn ngày càng gia tăng về môi trường nhằm giảm ôi nhiễm môi trường không khí và nguồn nước đã là các nhân tố ảnh hưởng chính trong hầu hết các quyết định đầu tư về chi phí vốn và chi phí vận hành trong thời gian gần đây đối với tất cả các tổ chức Quản lý năng lượng đã trở thành một công cụ chính giúp cho các tổ chức đạt được những mục tiêu quan trọng nói trên để duy trì sự tồn tại trong ngắn hạn và đạt được thành công trong dài hạn của mình

Quản lý năng lượng giúp cải thiện chất lượng môi trường Việc sử dụng năng lượng trong thương mại và công nghiệp là nguyên nhân gây ra khoảng 45% cacbon điôxit thoát ra từ việc đốt cháy các năng lượng hóa thạch và khoảng 70% sunfur điôxit thoát ra từ các nguồn cố định Thông qua Quản lý năng lượng có thể giảm

một cách đáng kể lượng cacbon điôxit và sunfur điôxit trong khí quyển và giúp làm giảm sự nóng lên của toàn cầu và mưa axit.[11]

Quản lý năng lượng giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng trở nên cạn kiệt Khi tiêu thụ nhiều năng lượng doanh nghiệp sẽ phải đối mặt với tình trạng thiếu nguồn cung cấp nghiêm trọng kèm theo nguy cơ tăng giá năng lượng dẫn đến ảnh hưởng đến lợi nhuận của tổ chức, bằng việc quản lý năng lượng doanh nghiệp có thể giảm nguy cơ này bằng cách giảm và kiểm soát nhu cầu năng lượng

Quản lý năng lượng nhằm hướng đến thực hiện chính sách sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả tại cơ sở, nhà máy Từ đó quản lý, theo dõi được tình hình tiết kiệm điện trên dây truyền sản xuất giúp cho doanh nghiệp từng bước kéo giảm hiệu quả việc đầu tư vào giá thành cho sản phẩm

- Lợi ích đem lại khi sử dụng hệ thống giám sát và quản lý năng lượng

Giảm thời gian, chi phí nhân công để ghi lại dữ liệu từ các đồng hồ cơ, nhập vào file excell tạo báo cáo mỗi tháng

Giảm được sơ sót trong quá trình thu thập dữ liệu bằng tay, tăng độ chính xác trong do lường

Kiểm soát dữ liệu điện năng liên tục 24 giờ /7 ngày tại bất kỳ trạm làm việc nào Khả năng đáp ứng nhanh với bất kỳ sự cố điện nào thông qua các cảnh báo, giảm được thời gian dừng máy

Giảm thời gian xử lý sự cố do dữ liệu được thu thập đầy đủ, chụp được dạng sóng của nguồn điện khi sự cố xảy ra

Ngăn ngừa khả năng bị điện lực phạt do cosφ thấp nhờ các báo động

Theo dõi toàn tải của nhà xưởng theo thời gian thực, hữu ích cho việc lên kế hoạch tiết kiệm năng lượng

Có khả năng tạo các báo cáo về điện năng tiêu thụ ở dạng bảng, dạng đồ thị, xuất ra file Excell

Kiểm tra hóa đơn điện lực thông qua báo cáo về năng lượng sử dụng

Xác định các nhiễu, sóng hài là do nguồn điện lực xông vào hay do các thiết bị của nhà máy gây ra Giảm thời gian xác định nguyên nhân

Xác định loại nhiễu nào: tăng/ giảm điện áp, sóng hài, xung điện áp…

Duy trì mức tải cho thiết bị hợp lý, tránh trường hợp non hay quá tải

Đưa ra quyết định đầu tư cho các thết bị cấp nguồn chính xác khi cần mở rộng nhà máy

Kiểm soát nguồn năng lượng cung cấp cho dây chuyền sản xuất Phục vụ công tác kiểm toán nguồn năng lượng

1.2 Giới thiệu một số hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa trong thực tế

1.2.1 Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua sóng vô tuyến RF

Hình 1.1: Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua sóng vô tuyến RF [12]

Hệ thống đọc chỉ số công tơ từ xa bằng sóng vô tuyến RF bao gồm các khối chức năng sau:

- Công tơ điện tử có tích hợp tính năng thu phát tín hiệu vô tuyến RF lắp tại các hộ khách hàng sử dụng điện, có chức năng đo đếm, lưu trữ năng lượng vào bộ nhớ không dây và truyền về bộ thu thập tín hiệu di động khi nhận được lệnh

- Bộ thu thập tín hiệu di động (Handheld Unit) bao gồm: máy tính cầm tay (Handheld Unit) được tích hợp module thu phát tín hiệu vô tuyến RF bên

trong, với chương trình thu thập số liệu do Công ty tự phát triển Trên máy tính cầm tay sẽ giúp người ghi ra lệnh đọc chỉ số công tơ trong phạm vi phủ sóng dựa vào danh sách và số liệu khách hàng sử dụng điện được kết xuất từ

cơ sở dữ liệu kinh doanh điện năng Toàn bộ dữ liệu ghi được sẽ được ghép nối vào cơ sở dữ liệu kinh doanh điện năng một cách tự động mà không cần phải tốn nhiều thao tác thủ công như trước đây

- Giải pháp này có các ưu điểm:

Không phụ thuộc vào khoảng cách, không phụ thuộc vào vị trí điểm đầu, điểm cuối khi có sự thay đổi về vị trí lắp đặt công tơ, hay vị trí trung tâm thì không bị thay đổi về thiết bị

Thiết bị modem gọn nhẹ, thông dụng, dễ dàng lắp kèm với công tơ

Cước phí tính theo lưu lượng (KB) thấp, rất phù hợp với hệ thống không yêu cầu truyền theo thời gian thực

- Nhược điểm: Do sử dụng đường truyền không dây, truyền qua mạng di động, nên tín hiệu có thể bị ảnh hưởng khi thời tiết xấu, do đó cần cân nhắc chọn dịch vụ của nhà cung cấp mạng có mật độ phủ sóng rộng, chất lượng tín hiệu tốt

1.2.2 Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua bộ truyền tải tín hiệu thông qua đường dây điện

Hình 1.2: Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa sử dụng hệ thống dây điện

có sẵn PLC (Power Line Communication ) [13]

Công nghệ đo đếm sử dụng công tơ kỹ thuật số truyền thông trên lưới điện,

sử dụng hệ thống dây điện sẵn có để thu thập và xử lý dữ liệu 01 Concentrator dùng cho 1000 công tơ điện, với đầu tư ban đầu rất khiêm tốn, quá trình lắp đặt dễ dàng

và nhanh chóng Dữ liệu từ các thiết bị này được truyền về máy tính trung tâm đặt tại các Công ty điện lực các huyện, thành phố Với thiết bị thu thập dữ liệu cầm tay (HHU) giúp nhân viên quản lý ngành điện biết đựợc các thông số từ công tơ điện của khách hàng, đồng thời thiết bị HHU còn được dùng để lập trình và đọc các số liệu từ các thiết bị tập trung để đưa vào máy tính Với bộ server chứa các phần mềm cần thiết cho quá trình vận hành hệ thống Nó thu nhận dữ liệu từ các bộ tập trung

để sử dụng cho các mục đích quản lý của ngành điện

Nhận xét: Thiết bị phần cứng còn hạn chế trên thị trường Các thiết bị vẫn trong thời

gian thử nghiệm, chưa phân phối rộng rãi trên thị trường

1.3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Mặc dù các hệ thống có khác nhau nhưng nguyên lý và cấu trúc để hình thành nên hệ thống quản lý và giám sát năng lượng là giống nhau

Mỗi hệ thống bao gồm: thiết bị đo điện năng, mạng truyền thông, phần mềm quản lý và thu thập dữ liệu, trung tâm lưu trữ dữ liệu

Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào 2 yếu tố chính sau Yếu tố thứ nhất độ chính xác của thiết bị đo Nếu thiết bị đo có chất lượng tốt, đồng nghĩa với sai số đo đạc nhỏ, thì việc xác định phụ tải tiêu thụ điện sẽ chính xác hơn Yếu tố thứ hai là giải pháp lựa chọn phương thức truyền thông theo mô hình thực tế vì vậy đề tài sẽ:

- Nghiên cứu các chuẩn truyền dẫn phổ biến RS-232/RS-485

- Nghiên cứu các chuẩn truyền thông phổ biến, có sẵn trên các thiết bị đo lường, đồng hồ năng lượng hiện nay sử dụng kiểu truyền thông Modbus RTU, Modbus TCP trên thiết bị PLC S7-120 do Semen sản xuất

- Thiết kế giao diện SCADA để thu thập và quản lý dữ liệu bằng phần mềm DAQFactory, tích hợp giám sát dây truyền trong xí nghiệp

1.4 Mục tiêu của đề tài

- Tìm các tài liệu và nghiên cứu sách vở có sẵn trên cơ sở chuẩn RS-485, hiểu

rõ các cách thức truyền dẫn cũng như cấu tạo của cổng RS-485

- Tìm hiểu bộ chuyển đổi TCP/IP sang RS-232/422/248

- Truyền thông Modbus, các đặc tính vật lý, nguyên tắc mã hóa dữ liệu, kiểm tra lỗi, cách quy định địa chỉ…

- Phần mềm DAQFactory cài đặt và cách sử dụng trong data sheet

- Thiết bị đo lường, điều khiển cho phù hợp để sử dụng trong đề tài như đồng

hồ điện, cảm biến lưu lượng, cảm biến siêu âm, PLC…

- Chế tạo mô hình mô phỏng quá trình, kết nối vận hành hệ thống

- Ưu nhược điểm, hướng phát triển của đề tài

1.5 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được các mục tiêu trên cần giải quyết các vấn đề sau:

- Tổng quan về hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa

- Một số chuẩn và giao thức truyền thông ứng dụng trong hệ thống: trình bày mạng truyền thông trong hệ thống, một số chuẩn truyền dẫn, giao thức truyền thông sử dụng trong hệ thống

- Thiết kế một hệ thống thành phần: xây dựng cấu hình của hệ thống, thiết kế phần cứng và xây dựng phần mềm cho hệ thống nhằm thực hiện công việc

đo lường các tải Thử nghiệm kết quả và khả năng ứng dụng của hệ thống

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Cấu trúc truyền thông

Cấu trúc truyền thông là những quy định trong việc truyền thông tin giữa các thiết bị trong một hệ thống công nghiệp có mối liên hệ với nhau Các thiết bị cơ cấu chấp hành như motor, cảm biến…nằm ở cấp thứ nhất ( được gọi là cấp trường), nó chịu sự điều khiển của các thiết bị cấp trên nó - cấp điều khiển Các thiết bị cấp điều khiển như: PLC, PC…thì chịu sự điều khiển và giám sát ở cấp cao hơn…Và cứ thế một hệ thống trong công nghiệp thông thường có 5 cấp

Điều cần quan tâm ở đây là việc liên lạc và truyền tín hiệu giữa các thiết bị trong các cấp được thực hiện nhờ các đường dây bus tín hiệu ( bao gồm 4 loại bus: bus trường, bus hệ thống, mạng xí nghiệp và mạng công ty) Để tín hiệu truyền được trên các bus thì thường có những tiêu chuẩn để truyền Tiêu chuẩn này được gọi là giao thức truyền thông

Ứng với mỗi đường dây bus cho việc kết nối giữa 2 cấp thì có một giao thức truyền thông riêng đối với bus trường thông thường người ta sử dụng các giao thức: profibus, modbus…

Tuy các giao thức truyền thông giữa các lớp là khác nhau nhưng chúng đều

có chung một đặc điểm là tuân theo một mô hình giao thức nhất định Đó là mô hình OSI ( Open System Interconnect)

Mô hình OSI quy định trình tự để truyền một đoạn tin giữa 2 thiết bị

Đoạn tin được truyền sẽ đi qua 7 lớp từ máy gửi đi đưa đến bus truyền thông, sau đó đoạn tin sẽ được nhận từ máy tương ứng Các lớp trong mô hình giúp xác định những đặc tính cần thiết cho đoạn tin truyền

Ở Việt Nam hiện nay thông thường để liên lạc giữa cấp trường và cấp điều khiển các nhà máy thường sử dụng giao thức mạng truyền thông Profibus Ngoài giao thức Profibus thì giao thức Modbus cũng là một sự lựa chọn khá tốt cho việc truyền thông ở bus trường Trong bài viết này sẽ tập trung vào giao thức mạng truyền thông Modbus.[7]

Modbus là một protocol phổ biến bậc nhất được sử dụng hiện nay cho nhiều mục đích Modbus đơn giản, rẻ, phổ biến và dễ sử dụng Được phát minh từ thế kỉ trước (gần 30 năm trước), các nhà cung cấp thiết bị đo và thiết bị tự động hóa trong công nghiệp tiếp tục hỗ trợ Modbus trong các sản phẩm thế hệ mới Mặc dù các bộ phân tích, lưu lượng kế, hay PLC đời mới có giao diện kết nối không dây, Ethernet hay fieldbus, Modbus vẫn là protocol mà các nhà cung cấp lựa chọn cho các thiết bị thế hệ cũ và mới

Một ưu điểm khác của Modbus là nó có thể chạy hầu như trên tất cả các phương tiện truyền thông, trong đó có cổng kết nối dây xoắn, không dây, sợi quang, Ethernet, modem điện thoại, điện thoại di động và vi sóng Có nghĩa là, kết nối Modbus có thể được thiết lập trong nhà máy thế hệ mới hay hiện tại khá dễ dàng Modbus/TCP được phát triển, cho phép giao thức Modbus có thể truyền dẫn qua các

hệ thống mạng nền TCP/IP

2.2 Các tiêu chuẩn truyền dẫn trong công nghiệp

2.2.1 Giới thiệu về truyền dẫn qua chuẩn RS-232

RS-232 lúc đầu được xây dựng phục vụ chủ yếu trong việc ghép nối điểm- điểm giữa hai thiết bị đầu cuối (DTE, Data Terminal Equipment), như giữa hai máy tính PC, PLC giữa máy tính và máy in hoặc giữa một thiết bị đầu cuối và một thiết bị truyền dữ liệu (DCE, Data Communication Equipment) Việc truyền dữ liệu thực hiện nhờ 3 dây TxD, RxD và mass Tín hiệu được so sánh với mass để phát hiện sự sai lệch Điều này khiến cho dữ liệu khó có thể khôi phục lại ở trạm phát

Chế độ làm việc: chế độ làm việc của hệ thống RS-232 là hai chiều toàn phần (full-duplex), tức là hai thiết bị tham gia cùng có thể thu và phát tín hiệu cùng một lúc Như vậy, việc thực hiện truyền thông cần tối thiểu 3 dây dẫn - trong đó hai dây tín hiệu nối chéo các đầu thu phát của hai trạm và một dây đất Với cấu hình tối thiểu này, việc đảm bảo độ an toàn truyền dẫn tín hiệu thuộc về trách nhiệm của phần mềm

Ta còn có thể ghép nối trực tiếp giữa hai thiết bị thực hiện chế độ bắt tay (handshake mode) không thông qua modem Qua việc sử dụng các dây dẫn DTR và DSR, độ an toàn giao tiếp sẽ được đảm bảo Trong trường hợp này các chân RTS và CTS được nối ngắn mạch

Hình 2.2: Ghép nối trực tiếp Nhược điểm của chuẩn RS-232 là tín hiệu không thể truyền đi xa do việc mất mát tín hiệu không thể phục hồi và việc kết nối theo chuẩn RS-232 chỉ thực hiện giao tiếp giữa hai thiết bị nên hạn chế số lượng thiết bị có trong mạng

Một số đặc điểm của chuẩn truyền RS-232 là khoảng cách truyền tối đa là 15m, tốc độ truyền là 20Kbps, hỗ trợ kết nối điểm – điểm trong mạng

2.2.2 Chuẩn truyền dẫn RS-485

Đặc tính điện học: sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dây dẫn A và B Nhờ vậy giảm được nhiễu và cho phép tăng chiều dài dây dẫn (có thể lên đến 1200m) Điện áp chênh lệch dương tương ứng với trạng thái logic 0 và âm tương ứng với trạng thái logic 1 Điện áp chênh lệch ở đầu vào dây nhận có thể xuống tới 200mV

Bảng 1: Các thông số quan trọng của RS-485

Điện áp chế độ chung đầu ra VOC Rload =54Ω -1V 3V

Độ nhạy cảm đầu vào -7V< VCM < 12V ± 200mV

RS-485 có khả năng ghép nối nhiều điểm Có thể ghép nối 32 trạm, được định địa chỉ và giao tiếp đồng thời qua một đoạn RS-485 mà không cần lắp bộ lặp

Để đạt được điều này trong một thời điểm chỉ một trạm được phép kiểm soát đường dẫn và phát tín hiệu Vì thế một bộ kích thích đều phải đưa về chế độ trở kháng cao mỗi khi rỗi, tạo điều kiện cho các bộ kích thích ở các trạm khác tham gia Chế độ này gọi là chế độ tri-state Một số vi mạch RS-485 tự động xử lý tình huống này trong nhiều trường hợp khác việc đó thuộc về trách nhiệm của phần mềm điều khiển truyền thông Trong mạch của bộ kích thích RS-485 có một tín hiệu vào 'enable' được dùng cho mục đích chuyển bộ kích thích về trạng thái phát tín hiệu hoặc tri-state

Hình 2.3: Sơ đồ bộ kích thích (driver) và bộ thu (receiver) RS-485

Mặc dù phạm vi làm việc tối đa là -6V đến 6V (trong trường hợp hở mạch), trạng thái logic của tín hiệu chỉ được định nghĩa trong khoảng từ ±1,5V đến ±5V đối với đầu ra (bên phát) và từ ±0,2V đến ±5V đối đầu vào (bên nhận)

Số trạm tham gia: RS-485 cho phép nối mạng 32 tải đơn vị (unit load, UL), ứng với 32 bộ thu phát hoặc nhiều hơn, tuỳ theo cách chọn tải cho mỗi thiết bị thành viên Thông thường mỗi bộ thu phát được thiết kế tương đương với một tải đơn vị Gần đây cũng có những cố gắng giảm tải xuống 1/2UL hoặc 1/4UL, tức là tăng trở kháng đầu vào lên hai hoặc bốn lần với mục đích tăng số lượng trạm lên 64 hoặc

128 Tuy nhiên tăng số trạm theo cách này sẽ gắn với việc phải giảm tốc độ truyền thông vì các trạm trở kháng lớn sẽ hoạt động chậm hơn

Hình 2.4: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485

Giới hạn 32 tải đơn vị xuất phát từ đặc tính kỹ thuật của hệ thống truyền thông nhiều điểm Các tải được mắc song song vì thế việc tăng tải sẽ làm suy giảm tín hiệu vượt quá mức cho phép Theo qui định chuẩn một bộ kích thích tín hiệu phải đảm bảo dòng tổng cộng 60mA vừa đủ để cung cấp cho:

- Hai trở đầu cuối mắc song song tương ứng tải 60Q (120Q tại mỗi đầu) với điện áp tối thiểu 1,5V tạo dòng tương đương 25mA

- 32 tải đơn vị mắc song song với dòng 1mA qua mỗi tải (trường hợp xấu nhất), tạo dòng tương đương 32mA

Hình 2.5: Định nghĩa một tải đơn vị Tốc độ truyền tải và chiều dài dây dẫn: RS-485 cho phép truyền khoảng cách tối đa giữa trạm đầu và trạm cuối trong một đoạn mạng là 1200m, không phụ thuộc vào số trạm tham gia Tốc độ truyền dẫn tối đa có thể lên đến 10Mbit/s, một số hệ

thống gần đây có khả năng làm việc với tốc độ 12Mbit/s Tuy nhiên có sự ràng buộc giữa tốc độ truyền dẫn tối đa và độ dài dây dẫn cho phép, tức là một mạng dài 1200m không thể làm việc với tốc độ 10MBd Quan hệ giữa chúng phụ thuộc vào chất lượng cáp dẫn và phụ thuộc vào việc đánh giá chất lượng tín hiệu

Hình 2.6: Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn tối đa trong RS-485 sử dụng đôi dây xoắn AWG24

Tốc độ truyền tối đa phụ thuộc vào chất lượng cáp mạng, cụ thể là đôi dây xoắn kiểu STP có khả năng chống nhiễu tốt hơn loại UPT và vì thế có thể truyền với tốc độ cao hơn Có thể sử dụng các bộ lặp để tăng số trạm trong một mạng, cũng như chiều dài dây dẫn lên nhiều lần, đồng thời đảm bảo được chất lượng tín hiệu

Cấu hình mạng: RS-485 là chuẩn duy nhất do EIA đưa ra mà có khả năng truyền thông đa điểm thực sự chỉ sử dụng một đường dẫn chung duy nhất, được gọi

là bus Chính vì vậy mà nó được làm chuẩn cho lớp vật lý ở đa số các hệ thống bus hiện thời

Cấu hình phổ biến nhất là sử dụng hai dây dẫn cho việc truyền tín hiệu Trong trường hợp này hệ thống chỉ có thể làm việc với chế độ hai chiều gián đoạn (half-duplex) và các trạm có thể nhận quyền bình đẳng trong việc truy nhập đường dẫn Chú ý đường dẫn được kết thúc bằng hai trở tại hai đầu chứ không được phép ở giữa đường dây Trên hình trên không vẽ dây nối đất song trên thực tế việc nối đất

là rất quan trọng

Hình 2.7: Cấu hình mạng RS-485 Cáp nối: RS-485 không phải là một chuẩn trọn vẹn mà chỉ là một chuẩn về đặc tính điện học, vì vậy không đưa ra các qui định cho cáp nối cũng như các bộ nối Có thể dùng dây xoắn đôi, cáp trơn hoặc các loại cáp khác Tuy nhiên dây xoắn đôi vẫn là loại cáp được sử dụng phổ biến nhất nhờ đặc tính chống tạp nhiễu và xuyên âm

Hình 2.8: Dây xoắn đôi Trở đầu cuối: Do tốc độ truyền thông và chiều dài dây dẫn có thể khác nhau rất nhiều trong các ứng dụng nên hầu hết các bus RS-485 đều yêu cầu sử dụng trở đầu cuối tại hai đầu dây Sử dụng trở đầu cuối có tác dụng chống các hiệu ứng phụ trong truyền dẫn tín hiệu như sự phản xạ tín hiệu.Trở đầu cuối dùng cho RS-485 có thể từ 100Ω đến 120Ω

Hình 2.9: Cấu hình mạng RS-485 sử dụng 4 dây Trong trường hợp cáp truyền ngắn và tốc độ truyền thấp, ta có thể không cần dùng trở đầu cuối Tín hiệu phản xạ sẽ suy giảm và triệt tiêu sau vài lần qua lại Tốc

độ truyền dẫn thấp có nghĩa là chu kỳ nhịp bus dài Nếu tín hiệu phản xạ triệt tiêu hoàn toàn trước thời điểm trích mẫu ở nhịp tiếp theo (thường vào giữa chu kỳ) thì tín hiệu mang thông tin sẽ không bị ảnh hưởng

Có nhiều phương pháp chặn đầu cuối một đường dẫn RS-485 Phương pháp được dùng phổ biến nhất là chỉ dùng một điện trở thuần nhất nối giữa hai dây A và

B tại mỗi đầu Phương pháp này gọi là chặn song song Điện trở được chọn có giá trị tương đương với trở kháng đặc trưng (trở kháng sóng) của cáp nối Như vậy sẽ không có tín hiệu phản xạ và chất lượng tín hiệu mang thông tin sẽ được đảm bảo Nhược điểm của phương pháp này là sự tổn hao nguồn tại hai điện trở

Hình 2.10: Các phương pháp chặn đầu cuối RS-485

Bảng 2: Thông số của các phương pháp

Phương pháp Không chặn Song song RC Tin cậy

Tốc độ Thấp Cao Trung bình Cao Chất lượng Kém Tốt Hạn chế Tốt

Tổn hao nguồn Thấp Cao Thấp Cao

Phương pháp thứ hai được gọi là chặn RC, sử dụng kết hợp một tụ C mắc nối tiếp với điện trở R Mạch RC này cho phép khắc phục nhược điểm của cách sử dụng một điện trở thuần nêu trên Trong lúc tín hiệu ở giai đoạn quá độ, tụ C có tác dụng ngắn mạch và trở R có tác dụng chặn đầu cuối Khi tụ C đảo chiều sẽ cản trở dòng một chiều và vì thế có tác dụng giảm tải Tuy nhiên, hiệu ứng sẽ cản trở thông thấp (lowpass) của mạch RC không cho phép hệ thống làm việc với tốc độ cao

Một biến thể của phương pháp chặn song song cũng được sử dụng rộng rãi là chặn tin cậy, bởi nó có tác dụng khác nữa là tạo điên áp tin cậy (fail-safe biasing) đảm bảo một dòng tối thiểu cho trường hợp bus rỗi hoặc có sự cố

Nối đất: Mặc dù mức tín hiệu được xác định bằng điện áp chênh lệch giữa hai dây dẫn A và B không liên quan tới đất, hệ thống RS-485 vẫn cần một đường dây nối đất để tạo một đường thoát cho nhiễu chế độ chung và các dòng khác, ví dụ dòng đầu vào bộ thu Một sai lầm thường gặp là chỉ dùng hai dây để nối hai trạm Trong trường hợp này dòng chế độ chung sẽ tìm cách quay ngược trở lại nguồn phát, bức xạ nhiễu ra môi trường xung quanh ảnh hưởng tới tính tương thích điện từ của hệ thống Nối đất sẽ có tác dụng tạo một đường thoát trở kháng nhỏ tại một vị trí xác định, nhờ vậy giảm thiểu tác hại gây nhiễu Hơn thế nữa với cấu hình trở đầu cuối tin cậy, việc nối đất tạo thiên áp sẽ giữ một mức điện áp tối thiểu giữa hai dây

A và B trong trường hợp kể cả bus rỗi hoăc có sự cố

2.3 Giao thức truyền thông

Giao thức truyền thông là một yếu tố quan trọng trong cấu hình của mạng PLC vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến dữ liệu được truyền từ điểm này đến điểm khác

và bởi vì các bộ điều khiển phân tán có thể phải lấy dữ liệu của nhau

2.3.1 Giao thức truyền thông ngang hàng

Lợi ích của giao thức truyền thông ngang hàng

- Việc truyền thông không phụ thuộc vào một thiết bị đơn lẻ nào - trạm chủ

- Việc truyền thông được thực hiện trực tiếp giữa các thiết bị trong mạng mà không cần phải thông qua một trạm trung gian nào

- Các thông điệp hệ thống được truyền trực tiếp đến tất cả các trạm trên mạng

2.3.2 Giao thức mạng Ethernet

Ethernet hay còn biết đến dưới tên gọi IEEE 802.3 là một giao thức mạng chuẩn hóa việc truyền thông tin gói trong mạng cục bộ Giao thức Ethernet được xếp vào lớp thứ hai trong mô hình OSI tức tầng data link Phương thức truyền gói tin của Ethernet là Carrier-Sense Multiple Access/ Collision Detect (CSMA/CD)

Đây là phương thức truyền tin thông dụng, tuy nhiên để đảm bảo tính bảo mật và an toàn hệ thống thì nên sử dụng các đường truyền Ethernet nội bộ từ mạng LAN (Local Area Network), WAN (Wide Area Network), có đầy đủ giải pháp bảo mật thông tin

Ethernet có các đặc điểm mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng:

- Khởi động nhanh nhờ phương pháp kết nối đơn giản

- Độ linh hoạt cao khi mạng hiện thời có thể được mở rộng mà không có bất

kỳ ảnh hưởng bất lợi nào

- Cơ sở cho nối mạng hệ thống mạng diện rộng (tích hợp theo chiều sâu)

- Cơ sở cho các dịch vụ Internet

- Truyền thông diện rộng thông qua kết nối mạng diện rộng (WAN)

- Dễ dàng kết nối các trạm di động vào mạng WLAN

- An toàn đầu tư nhờ tính đảm bảo tương thích liên tục trong quá trình phát triển

- Giám sát các thiết bị mạng liên tục với khái niệm tín hiệu đơn giản và hiệu quả

- Trong mạng Ethernet công nghiệp có thể thực hiện việc đồng bộ hoá thời gian cho toàn bộ nhà máy Điều này có nghĩa là các sự kiện được sắp xếp một cách chính xác theo đúng trình tự xảy ra trong toàn bộ nhà máy

Cùng với các tính năng mạnh mẽ của Ethernet Cổng Ethernet 502 được gán cho giao thức Modbus TCP/IP Modbus TCP/IP kết hợp mạng vật lý đa dụng, có khả năng mở rộng với một chuẩn nối mạng phổ biến (TCP/IP) và dữ liệu độc lập với nhà cung cấp

2.3.3 Giao thức mạng Modbus

2.3.3.1 Khái niệm tổng quát

Giao thức Modbus là một cấu trúc thư tín được phát triển bởi Modicon năm

1979, được xây dựng để truyền thông giữa master-slave/client-server giữa các thiết

bị thông minh Nó hỗ trợ cả 2 chế độ truyền RS232 và RS485

Sơ đồ bên dưới trình bày sự tham chiếu giao thức modbus nằm ở lớp thứ 7, thứ 2 và thứ 1 của mô hình OSI Lớp thứ 7 (lớp ứng dụng) giúp hỗ trợ phương thức truyền thông server/client giữa các thiết bị kết nối trên bus hoặc trên mạng không dây

Lớp thứ 2 và thứ 1 quy định hình thức truyền dữ liệu theo kiểu nối tiếp và chuẩn vật lý EIA/TIA-485

Hình 2.11: Giao thức Modbus tương ứng với lớp 7 của mô hình OSI

Giao thức Modbus được sử dụng rộng rãi nhờ tính đơn giản, linh hoạt và đáng tin cậy của nó Nó có thể truyền dữ liệu rời rạc hoặc tương tự Nhưng giao thức Modbus bị giới hạn bởi cách thức giao tiếp theo chuẩn RS-485 Tốc độ truyền của chuẩn này trong khoảng 0.01Mbps đến 0.115Mbps Trong khi ngày nay các mạng hỗ trợ tốc độ truyền trong khoảng từ 5Mbps đến 16Mbps, thậm trí đối với mạng Ethernet nó còn cung cấp tốc độ truyền lên đến 100Mbps, 1Gbps và 10Gbps

2.3.3.2 Phân loại:

Căn cứ vào cách thức truyền dữ liệu trong mạng thì mạng Modbus được chia làm 3 loại: Modbus RTU, Modbus ASCII và Modbus TCP/IP

- Modbus RTU: dữ liệu được truyền trên bus nối tiếp Dữ lệu được truyền trên

mã hexadecimal Modbus RTU thường được sử dụng trong truyền thông đo lường

- Modbus ASCII: dữ liệu được truyền trên bus nối tiếp, dịnh dạng dưới dạng

mã ASCII Ưu điểm là có thể dễ dàng để người dùng hiểu được dữ liệu đang truyền Thông thường giao thức modbus ASCII được sử dụng trong việc kiểm tra giới thiệu cho giao thức modbus

- Modbus TCP/IP: dữ liệu có thể truyền trên mạng LAN hoặc mạng ở trong khu vục rộng Dữ liệu được định dạng theo mã hexadecimal

Ưu điểm của Modbus là nó có thể chạy hầu như trên tất cả các phương tiện

truyền thông, trong đó có cổng kết nối dây xoắn, không dây, sợi quang, Ethernet, modem điện thoại, điện thoại di động và vi sóng Có nghĩa là kết nối Modbus có thể được thiết lập trong nhà máy thế hệ mới hay hiện tại khá dễ dàng Thực ra nâng cao ứng dụng cho Modbus là cung cấp truyền thông số trong nhà máy đời cũ sử dụng kết nối dây xoắn hiện nay

2.3.3.3 Nguyên tắc hoạt động của Modbus RTU

Để kết nối với thiết bị tớ, chủ sẽ gửi một thông điệp có:

- Địa chỉ thiết bị

- Mã chức năng

- Dữ liệu

- Kiểm tra lỗi

Địa chỉ thiết bị là một con số từ 0 đến 247 Thông điệp được gửi tới địa chỉ 0 (truyền thông điệp) có thể được tất cả các tớ chấp nhận, nhưng các con số từ 1-247

là các địa chỉ của các thiết bị cụ thể Với ngoại lệ của việc truyền thông điệp, một thiết bị tớ luôn phản ứng với một thông điệp Modbus do đó chủ sẽ biết rằng thông điệp đã được nhận

04 Đọc bô ghi đầu vào

05 Viết cuộn cảm đơn

06 Viết bộ ghi đơn

07 Đọc trạng thái ngoại lệ

08 Chuẩn đoán

xx 255 mã chức năng, phụ thuộc vào thiết bị

Mã chức năng xác định yêu cầu thiết bị tớ thực hiện hoạt động như đọc dữ liệu, chấp nhận dữ liệu, thông báo trạng thái vv

Mã chức năng là từ 1 255 Một số mã chức năng còn có các mã chức năng phụ

Dữ liệu xác định địa chỉ trong bộ nhớ thiết bị hay chứa các giá trị dữ liệu được viết trong bộ nhớ thiết bị, hay chứa các thông tin cần thiết khác mang chức năng như yêu cầu

Kiểm tra lỗi là một giá trị bằng số 16 bit biểu diễn kiểm tra dự phòng tuần hoàn (CRC) CRC được thiết bị chủ tạo ra và thiết bị tiếp nhận kiểm tra Nếu giá trị CRC không thỏa mãn, thiết bị đòi hỏi truyền lại thông điệp này

Khi thiết bị tớ thực hiện các chức năng theo yêu cầu, nó sẽ gửi thông điệp cho chủ Thông điệp chứa địa chỉ của tớ và mã chức năng, dữ liệu theo yêu cầu, và một giá trị kiểm tra lỗi

- Bản đồ bộ nhớ Modbus

Mỗi thiết bị Modbus có bộ nhớ chứa dữ liệu quá trình Thông số kỹ thuật của Modbus chỉ ra cách dữ liệu được gọi ra như thế nào, loại dữ liệu nào có thể được gọi ra Tuy nhiên, không đặt ra giới hạn về cách thức và vị trí mà nhà cung cấp đặt

dữ liệu trong bộ nhớ Dưới đây là ví dụ về cách thức mà nhà cung cấp đặt các loại

dữ liệu biến thiên quá trình hợp lí

Các đầu vào và cuộn cảm rời rạc có giá trị 1 bit, mỗi một thiết bị lại có một địa chỉ cụ thể Các đầu vào analog (bộ ghi đầu vào) được lưu trong bộ ghi 16 bit Bằng cách sử dụng 2 bộ ghi này, Modbus có thể hỗ trợ format điểm floating (nổi) IEEE

32 bit Bộ ghi Holding cũng sử dụng các bộ ghi bên trong 16 bit hỗ trợ điểm floating

Bảng 4: Địa chỉ thanh ghi theo chuẩn Modbus

1 - 9999 Đọc hoặc viết Cuộn cảm

10001 - 19999 Chỉ đọc Đầu vào rời rạc

30001 - 39999 Chỉ đọc Bộ ghi đầu vào

40001 - 49999 Đọc hoặc viết Bộ ghi Holding

Dữ liệu trong bộ nhớ được xác định trong thông số kỹ thuật Modbus Giả sử rằng nhà cung cấp tuân theo tiêu chuẩn kỹ thuật Modbus (không phải tất cả), mọi dữ liệu có thể được truy cập dễ dàng bởi chủ, thiết bị tuân theo các thông số kỹ thuật trong nhiều trường hợp, nhà cung cấp thiết bị công bố vị trí của bộ nhớ, tạo điều kiện cho nhân viên lập trình dễ dàng để kết nối với thiết bị tớ

dữ liệu này, sẽ gửi lại một trả lời như sau:

5 04 aa bb cc CRC

Hình 2.12: Kết nối dây home run so với Modbus Trong hầu hết các nhà máy, các thiết bị đo hiện trường kết nối với hệ thống điều khiển với từng cặp dây xoắn home run (dưới) Khi các công cụ đo được kết nối dây với hệ thống I/O phân tán như NCS của Moore Industries (giữa), có nhiều thiết

bị sẽ được bổ sung, nhưng chỉ có một cặp dây xoắn đơn cần để truyền tất cả dữ liệu

2.3.3.4 Nguyên tắc hoạt động của Modbus TCP/IP

Modbus TCP/IP thường được coi là một " Modbus qua Ethernet” (Modbus over Ethernet: Modbus có sự hỗ trợ của Ethernet)

Modbus TCP/IP đơn giản chỉ là các gói Modbus được gói gọn trong các gói TCP/IP tiêu chuẩn Điều này làm cho các thiết bị Modbus kết nối, truyền thông nhanh chóng và dễ dàng qua Ethernet và mạng quang học Modbus TCP/IP cũng chấp nhận nhiều địa chỉ hơn RS-485, thiết bị sử dụng nhiều chủ, tốc độ hàng gigabit Trong khi đó, Modbus TCP/IP có một giới hạn 247 nốt trong mỗi mạng,