Báo cáo đồ án tốt nghiệp - Tủ điều khiển và giám sát hệ thống điện 3 pha thông qua Smartphone kết nối mạng Internet (Có code)

HCM, ngày tháng năm LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Phạm Văn Thêm MSSV: 15151219 Họ tên sinh viên 2: Huỳnh Tấn Vân MSSV: 15151255 Tên đề tài: Thiết kế, thi côn

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

Trang 2

SVTH: Phạm Văn Thêm MSSV:

15151219

Huỳnh Tấn Vân MSSV: 15151255

TP Hồ Chí Minh 7/2019

Trang 3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Internet

GVHD: PGS.TS Trương Đình Nhơn

15151219

Trang 4

Huỳnh Tấn Vân MSSV: 15151255

TP Hồ Chí Minh 7/2019

Trang 5

i

TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

Tp HCM, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên 1: Phạm Văn Thêm MSSV: 15151219

Họ tên sinh viên 2: Huỳnh Tấn Vân MSSV: 15151255

1 Tên đề tài

Thiết kế, thi công tủ điều khiển và giám sát hệ thống điện 3 pha

thông qua Smartphone kết nối mạng Internet

2 Nhiệm vụ

- Nghiên cứu giải pháp điều khiển từ xa thông qua mạng

Internet sử dụng các thiết bị công nghiệp như PLC, HMI

- Nghiên cứu giải pháp đo lường điện và truyền thông dữ

liệu đo lường tới các thiết bị di động khác thông qua mạng

Internet

- Thiết kế và thi công tủ điều khiển và giám sát các thông

số điện của lưới điện 3 pha, chia sẻ dữ liệu đo lường và tương táctín hiệu điều khiển với điện thoại thông minh

- Tủ điện hoàn thiện có tính thẩm mỹ, đáp ứng yêu cầu kỹ

thuật có thể ứng dụng luôn vào thực tiễn

Trang 6

ii

Cán bộ hướng dẫn Bộ môn tự động điều khiển

PGS.TS Trương Đình Nhơn

Trang 7

iii

TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên 1: Phạm Văn Thêm MSSV: 15151219

Họ tên sinh viên 2: Huỳnh Tấn Vân MSSV: 15151255

Tên đề tài: Thiết kế, thi công tủ điều khiển và giám sát hệ thống điện 3

pha thông qua Smartphone kết nối mạng Internet

của GVHDTuần 1

Đề ra giải pháp và thiết kế nguyên lý hoạt động

Khảo sát và lựa chọn thiết bị

Trang 9

v

LỜI CAM ĐOAN

Chúng tôi Phạm Văn Thêm và Huỳnh Tấn Vân cam đoan đồ

án tốt nghiệp là công trình nghiên cứu của chúng tôi dưới sự

hướng dẫn của PGS.TS Trương Đình Nhơn

Các kết quả công bố trong đồ án tốt nghiệp này là trung

thực và không sao chép từ bất kỳ công trình nào khác

Giáo viên hướng dẫn xác nhận về mức độ hoàn thành và cho

phép được bảo vệ

Tp.HCM, ngày tháng năm 2019

Sinh viên thực hiện

Trang 10

vi

LỜI CẢM ƠN

Đề tài “Thiết kế, thi công tủ điều khiển và giám sát hệ

thống điện 3 pha thông qua Smartphone kết nối mạng Internet”

là nội dung chúng tôi đã chọn đề nghiên cứu và làm đề tài bảo

vệ tốt nghiệp chuyên ngành CNKT Điều Khiển Và Tự Động Hóa

tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

Để hoàn thành quá trình nghiên cứu và hoàn thiện đề tài

này, lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS

Trương Đình Nhơn giảng viên khoa Điện-Điện tử,Trường Đại Học

Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Thầy là người hỗ trợ cơ sở vật chất

cũng như đã trực tiếp chỉ bảo và hướng dẫn chúng tôi trong

suốt quá trình nghiên cứu để chúng tôi hoàn thành đề tài này

Chúng tôi cũng xin cảm ơn Khoa Điện-Điện Tử Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM và bộ môn Tự Động Điều Khiển

đã hỗ trợ một phần thiết bị để chúng tôi có điều kiện nghiên cứu

và hoàn thiện đề tài một cách tốt nhất

Cuối cùng, chúng tôi xin cảm ơn Trường Đại Học Sư Phạm

Kỹ Thuật TP.HCM đã tạo điều kiện, môi trường học tập nghiên

cứu, là nơi cung cấp giảng dạy cho chúng tôi nhiều kiến thức

chuyên môn cũng như những kiến thức cuộc sống quý báu, đó làtiền đề và cốt lõi để chúng tôi có thể làm việc cống hiến cho cả

hôm nay và mai sau

Trân trọng cảm ơn!

Sinh viên thực hiện đề tài Phạm Văn Thêm

Trang 11

vii

Huỳnh Tấn Vân

Trang 12

viii MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii

LỜI CAM ĐOAN v

LỜI CẢM ƠN vi

MỤC LỤC vii

DANH MỤC HÌNH ix

DANH MỤC BẢNG xiii

CÁC TỪ VIẾT TẮT xiv

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu 3

1.3 Nội dung nghiên cứu 4

1.4 Giới hạn nội dung nghiên cứu 4

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển, bộ điều khiển khả trình (PLC) 6

2.1.1 Lịch sử bộ điều khiển khả trình viết tắt PLC (Programmable Logic Controller) 6

2.1.2 Ngôn ngữ lập trình PLC 8

2.1.3 Ứng dụng của PLC trong thời đại công nghệ 4.0 12 2.2 Cơ sở lý thuyết đo lường, đồng hồ đo lường điện 12 2.3 Cơ sở lý thuyết về thiết bị điện và khí cụ điện 14 2.4 Cơ sở lý thuyết giám sát và quản lý trong công nghiệp, màn hình cảm ứng (HMI) 15

2.5 Cơ sở lý thuyết mạng truyền thông Modbus 18

2.6 Cơ sở lý thuyết mạng truyền thông Ethernet 20 2.7 Cơ sở lý thuyết mạng truyền thông Internet 22

Trang 13

ix 2.8 Cơ sở lý thuyết mạng truyền thông Zigbee 23

2.9 Cơ sở lý thuyết về truyền thông không dây 24

2.10.Cơ sở lý thuyết về lưới điện 3 pha 29

2.11.Cơ sở lý thuyết về Tủ điện, lắp đặt và thi công Tủ điện 31

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 33

3.1 Khảo sát 33

3.1.1 Khảo sát và lựa chọn thiết bị, khí cụ và các phụ kiện liên quan 33

3.1.2 Khảo sát và lựa chọn phương thức giao tiếp giữa các thiết bị 57

3.2 Thiết kế phần cứng 58

3.3 Thiết kế phần mềm 65

3.3.1 Lưu đồ giải thuật 65

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HOÀN THIỆN 66

4.1 Cài đặt đồng hồ đo lường điện 66

4.2 Cài đặt các phần mềm lập trình trên máy tính cá nhân 73

4.2.1 Các phần mềm liên quan 73

4.2.2 Cài đặt các phần mềm liên quan 74

4.3 Lập trình điều khiển cho bộ điều khiển PLC 81

4.3.1 Tổng quan phần mềm HaiwellHappy 81

4.3.2 Khởi tạo dựa án và các khai báo ban đầu .93

4.3.3 Lập trình và Download chương trình xuống PLC 97 4.4 Lập trình cho màn hình HMI 101

4.4.1 Tổng quan phần mềm HaiwellScada Develop 101

4.4.2 Khai báo kết nối 110 4.4.3 Thiết kế giao diện và Download chương

trình 111

4.5 Cài đặt phần mềm điều khiển trên điện thoại smartphone 128

Trang 14

x 4.6 Kết nối điện thoại di động với thiết bị 130

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 133

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN HƯỚNG PHÁT TRIỂN 136

TÀI LIỆU THAM KHẢO 137

Trang 15

xi DANH MỤC HÌNH Chương 2 Hình 2 1: Bộ điều khiển khả trình PLC 8

Hình 2 2: Sơ đồ ngôn ngữ bậc thang 8

Hình 2 3: Biểu đồ chức năng tuần tự 9

Hình 2 4: Sơ đồ khối chức năng 10

Hình 2 5: Cấu trúc văn bản 11

Hình 2 6: Danh sách hướng dẫn trong ngôn ngữ lập trình IL 11

Hình 2 7: Màn hình HMI 16

Hình 2 8: Cấu trúc mạng truyền thông Modbus 19

Hình 2 9: Cấu trúc mạng truyền thông Ethernet cơ bản 22

Hình 2 10: Cấu trúc mạng truyền thông Zigbee 24

Hình 2 11: Các dạng tải kết nối với hệ thống điện 3 pha 30

Hình 2 12: Đồ thị dạng điện áp 3 pha 30

Hình 2 13: Tủ điện trong công nghiệp 31

Chương 3 Hình 3 1: Bộ điều khiển khả trình T32S0T 35

Hình 3 2: Thanh đấu nối chính của PLC T32S0T 37

Hình 3 3: Sơ đồ kết nối ngõ vào PLC T32S0T 38

Hình 3 4: Sơ đồ kết nối ngõ vào PLC T32S0T 39

Hình 3 5: Màn hình HMI C7-W 41

Hình 3 6: Kích thước chi tiết màn hình HMI C7-W 43

Hình 3 7: Đồng hồ đo đa năng Selec MFM383A 44

Hình 3 8: Sơ đồ kết nối của đồng hồ đo đa năng Selec MFM383A .46

Hình 3 9: Contactor LC1 D09 48

Hình 3 10: Relay 24V 49

Hình 3 11: MCB của hãng Siemens 50

Hình 3 12: Cầu chì RT18-32XN 52

Hình 3 13: Nguồn xung 24V DC 53

Hình 3 14: Nút nhấn thường hở 54

Hình 3 15: Đèn báo pha 220V AC 55

Hình 3 16: Máng nhựa 35x35 mm 56

Hình 3 17: Sơ đồ khối 58

Hình 3 18: Sơ đồ mạch động lực 60

Hình 3 19: Sơ đồ mạch điều khiển 61

Hình 3 20: Vỏ tủ được thiết kế ở dạng 3D trên Solidwork 62

Trang 16

xii Hình 3 21: Vỏ tủ thiết kế ở dạng bản vẽ 2D trên Solidwork 62

Hình 3 22: Bản vẽ chi tiết của vỏ tủ 63

Hình 3 23: Bố trí thiết kế trên phần mềm Solidwork 64

Hình 3 24: Lưu đồ giải thuật 65

Chương Hình 4 1: Màn hình hiển thị các thông số nguồn điện của đồng hồ đo đa năng Selec MFM383A 66

Hình 4 2: Màn hình yêu cầu đăng nhập mật khẩu 67

Hình 4 3: Màn hình “01” 67

Hình 4 7: Màn hình “05” và “06” 69

Hình 4 14: Giao diện phần mềm HaiwellHappy 74

Hình 4 15: Trang chủ của Haiwell 75

Hình 4 16: Cài đặt phần mềm HaiwellScada develop 75

Hình 4 20: Biểu tượng của phần mềm 77

Hình 4 21: Trang chủ của Haiwell 78

Hình 4 22: Cài đặt phần mềm HaiwellHappy 78

Hình 4 28: Cấu trúc phần mềm HaiwellHappy 81

Hình 4 29: Cấu trúc phần mềm HaiwellHappy 82

Hình 4 30: Hướng dẫn với lệnh tiếp điểm thường hở, tiếp điểm thường đóng và lệnh cuộn dây ngõ ra 84

Hình 4 31: Ví dụ về lệnh Set và Reset 86

Hình 4 32: Ví dụ vè lệnh so sánh 87

Trang 17

xiii Hình 4 33: Hướng dẫn sử dụng lệnh Fmov 89

Hình 4 34: Hướng dẫn sử dụng lệnh Fmov 89

Hình 4 35: Hướng dẫn sử dụng lệnh Fmov 90

Hình 4 36: Tạo “New project” 93

Hình 4 37: Cấu hình cho “New project” 93

Hình 4 38: Cấu hình cho “New project” 94

Hình 4 39: Tạo kết nối giữa PLC và máy tính 95

Hình 4 40: Cấu hình cho kết nối giữa PLC và máy tính 95

Hình 4 41: Kết quả kết nối giữa PLC và máy tính 96

Hình 4 42: Thiết lập cài đặt thông số địa chỉ cho PLC 96

Hình 4 43: Chương trình PLC 97

Hình 4 51: Download chương trình xuống PLC 100

Hình 4 52: Cấu trúc phần mềm HaiwellScada develop 101

Hình 4 53: Lệnh Button 102

Hình 4 54: Khai báo lệnh Button 102

Hình 4 55: Lệnh Lamp 103

Hình 4 56: Khai báo lệnh Lamp 103

Hình 4 57: Lệnh chuyển trang màn hình 104

Hình 4 58: Khai báo lệnh chuyển trang màn hình 104

Hình 4 59: Lệnh hiển thị giá trị 105

Hình 4 60: Khai báo lệnh hiển thị giá trị 105

Hình 4 61: Lệnh hiển thị giá trị đo 105

Hình 4 62: Khai báo lệnh hiển thị giá trị bằng đồng hồ 106

Hình 4 63: Lệnh hiển thị giá trị theo thời gian 106

Hình 4 64: Khai báo lệnh hiển thị giá trị theo thời gian 107

Hình 4 67: Lệnh truy xuất giá trị theo thời gian 108

Hình 4 68: Khai báo lệnh truy xuất giá trị theo thời gian 109

Hình 4 69: Khai báo lệnh truy xuất giá trị theo thời gian 109

Hình 4 70: Khai báo kết PLC với HMI 110

Hình 4 71: Khai báo kết nối PLC với HMI 110

Hình 4 72: Khai báo kết nối PLC với HMI 111

Hình 4 73: Bảng địa chỉ các vùng nhớ 111

Hình 4 74: Lệnh ON 112

Trang 18

xiv Hình 4 75: Khai báo lệnh ON 112

Hình 4 76: Lệnh OFF 112

Hình 4 77: Lệnh chuyển trang menu 113

Hình 4 78: Khai báo lệnh chuyển trang menu 113

Hình 4 79: Lệnh chuyển trang home, info, menu 114

Hình 4 80: Lệnh chuyển trang xem giá trị điện áp pha 114

Hình 4 81: Lệnh chuyển trang xem giá trị điện áp dây 114

Hình 4 82: Lệnh chuyển trang xem giá trị dòng điện 114

Hình 4 83: Lệnh chuyển trang xem giá trị công suất 114

Hình 4 84: Lệnh chuyển trang xem giá trị điện áp pha, điện áp dây, dòng điện, công suất của cả 3 pha 115

Hình 4 85: Lệnh chuyển trang xem giá trị điện áp pha, điện áp dây, dòng điện, công suất hiển thị bằng đồng hồ đo 115

Hình 4 86: Lệnh chuyển trang xem giá trị điện áp pha, điện áp dây, dòng điện, công suất hiển thị bằng đồ thị 115

Hình 4 87: Lệnh hiển thị đén báo pha 1 116

Hình 4 88: Khai báo lệnh hiển thị đèn báo pha 1 116

Hình 4 89: Lệnh hiển thị đèn báo pha 2 và pha 3 117

Hình 4 90: Lệnh hiển thị giá trị điện áp dàng đồng hồ của pha 1 .117

Hình 4 91: Khai báo lệnh hiển thị giá trị điện áp dưới dạng đồng hồ đo của 117

Hình 4 92: Lệnh hiển thị giá trị điện áp dưới dạng đồng hồ của pha 2 và pha 3 118

Hình 4 93: Lệnh hiển thị giá trị điện áp dưới dạng đồng hồ của dây 118

Hình 4 94: Lệnh hiển thị giá trị dòng điện dưới dạng đồng hồ 118 Hình 4 95: Lệnh hiển thị giá trị công suất dưới dạng đồng hồ 119 Hình 4 96: Lệnh hiển thị giá trị điện năng tiêu thụ 119

Hình 4 97: Khai báo lệnh hiển thị giá trị điện năng tiêu thụ .119

Hình 4 98: Lệnh hiển thị giá trị tần số 120

Hình 4 99: Lệnh hiển thị giá trị điện áp pha V1n dưới dạng đồ thị .120

Hình 4 100: Khai báo lệnh hiển thị giá trị điện áp pha V1n dưới dạng đồ thị 120

Hình 4 101: Khai báo lệnh hiển thị giá trị điện áp pha V1 dưới dạng đồ thị 121

Hình 4 102: Lệnh hiển thị giá trị điện áp pha V2 dưới dạng đồ thị .121

Hình 4 103: Lệnh hiển thị giá trị điện áp pha V3 dưới dạng đồ thị .121

Trang 19

xv Hình 4 104: Lệnh hiển thị giá trị điện áp dây V12 dưới dạng đồ thị 122

Hình 4 105: Lệnh hiển thị giá trị điện áp dây V23 dưới dạng đồ thị 122

Hình 4 106: Lệnh hiển thị giá trị điện áp dây V31 dưới dạng đồ thị 122

Hình 4 107: Lệnh hiển thị giá trị dòng điện I1 dưới dạng đồ thị .123

Hình 4 110: Lệnh hiển thị giá trị công suất P1 dưới dạng đồ thị .124

Hình 4 113: Lệnh truy xuất giá trị điện áp pha của cả ba pha 125 Hình 4 114:Khai báo lệnh truy xuất giá trị điện áp pha của cả ba pha 125

Hình 4 115: Khai báo lệnh truy xuất giá trị điện áp pha của cả ba pha 126

Hình 4 116: Lệnh truy xuất giá trị điện áp dây của cả ba pha 126 Hình 4 117: Lệnh truy xuất giá trị dòng điện của cả ba pha 126

Hình 4 118: Lệnh truy xuất giá trị công suất của cả ba pha 127

Hình 4 119: Thao tác download giao diện SCADA xuống HMI 127 Hình 4 120: Thao tác download giao diện SCADA xuống HMI 128 Hình 4 121: Giao diện phần mềm 128

Hình 4 122: Download phần mềm trên điện thoại Adroid 129

Hình 4 123: Đăng ký tài khoản 129

Hình 4 124: Đăng nhập vào phần mềm 130

Hình 4 125: Đăng nhập vào phần mềm 130

Hình 4 126: Sử dụng phần mềm 131

Hình 4 129: Giao diện SCADA trên điện thoại 132

Y Hình 5 1: Tủ điều khiển giám sát hoàn thiện 133

Hình 5 2: Giao diện home 134

Hình 5 3: Giao diện info 134

Trang 20

xvi Hình 5 4: Giao diện màn hình menu 134

Hình 5 5: Giao diện màn hình hiển thị đồng hồ đo dòng điện 134

Hình 5 6: Giao diện màn hình hiển thị đồng hồ đo công suất 134

Hình 5 7: Giao diện màn hình hiển thị công suất dưới dạng đồ thị 134

Hình 5 8: Giao diện màn hình hiển thị đồng hồ đo điện áp pha 135

Hình 5 9: Giao diện màn hình hiển thị dòng điện dưới dạng đồ thị 135

Hình 5 10: Giao diện hiển thị đồng hồ điện áp dây 135

Hình 5 11: Giao diện hiển thị điện áp dây dưới dạng đồ thị 135

Hình 5 12: Giao diện hiển thị đồng hồ đo điện áp pha dưới dạng đồ thị 135

DANH MỤC BẢNG Bảng 4 1: Lệnh tiếp điển thường hở 83

Bảng 4 2: Lệnh tiếp điểm thường đóng 83

Bảng 4 3: Lệnh cuộn dây ngõ ra 84

Bảng 4 4: Lệnh Set 85

Bảng 4 5: Lệnh Reset 85

Bảng 4 6: Lệnh so sánh 86

Bảng 4 7: Lệnh so sánh 87

Bảng 4 8: Lệnh Move 88

Bảng 4 9: Lệnh đọc giá trị trong mạng truyền thông Modbus MODR 92

CÁC TỪ VIẾT TẮT

IoT: Internet of thing

HMI: Human-Machine-Interface

PLC: Programmable logic controller

Trang 21

Trước đây khi khoa học công nghệ tại Việt Nam chưa phát triển và có nhiều ứng dụng thiết thực, việc thu thập, quản lý dữ liệu điện năng chủ yếu theo phương pháp thủ công Các công ty điện lực hay các đơn vị phân phối, truyền tải điện năng cần có một lượng nhân công rất lớn, phủ khắp các khu vực để theo dõi kiểm tra các thông số lưới điện Hàng tháng nhân viên điện lực phải đến tận nơi để lấy thông tin về điện năng tiêu thụ của từng

hộ dân cư rồi ghi chép tính toán và thu phí gửi về cho các cơ quan cấp bán điện

Những vấn đề nảy sinh trong việc thu gom số liệu thủ công ngày càng trở nên khó khăn và bất cập hơn Các công ty, đơn vị bán điện ngày càng cần tới nhiều nhân viện hơn, cơ sở dữ liệu ghi chép thủ công dễ dẫn đến sai sót và thất lạc Các dạng năng lượng sạch như điện gió, điện mặt trời… đang ngày càng được ứng dụng là lắp đặt nhiều với đặc điểm địa lý khắc nghiệt, xa vớikhu vực quản lý Điều này dẫn tới nhiều khó khăn hơn trong việcquản lý theo phương pháp cũ

Đối với những dự án năng lượng điện tự cung, tự cấp của các

hộ dân cư hay các đơn vị ở xa chưa có điều kiện để sử dụng lưới

Trang 22

điện Quốc gia như các địa bàn dân cư ở hải đảo, vùng nói cao, vùng biên giới… Phần lớn sử dụng các thủy điện nhỏ, các hệ thống điện mặt trời hay điện gió, việc quản lý nguồn năng lượng này lại càng chặt chẽ vì lý do cần tiết kiệm tối đa, nhưng không thể lúc nào cũng có đủ thời gian để kiểm tra theo dõi các thông

số, trạng thái của hệ thống điện

Những bất cập được nêu ở trên, cùng với yêu cầu ngày càng cao trong việc quản lý năng lượng, cần có một giải pháp để ứng dụng và nâng cao chất lượng quản lý, giám sát các hệ thồng cung cấp điện Đó là động lực thúc đẩy chúng tôi nghiên cứu và tạo ra một sản phẩm điều khiển và giám sát các thông số điện bằng một phương pháp mới giảm thời gian, giảm chi phí và sai sót xuống mức thấp, giải phóng sức lao động, phương pháp đó làgiám sát từ xa thông qua thiết bị di động cụ thể là điện thoại thông minh có kết nối internet

- Tổng quan về đề tài

Đề tài “Thiết kế, thi công tủ điều khiển và giám sát hệ thống điện 3 pha thông qua Smartphone kết nối mạng Internet” là công trình ngiên cứu và thực hiện nhằm mục đích nâng cao hiệu quả quản lý hệ thống cấp điện 3 pha

Sản phẩm hoàn thiện là một tủ điện có kích thước

600x400x300 mm Bao gồm hai lớp cánh Lớp cánh ngoài gắn 3 đèn báo pha Lớp cánh phụ phía trong chứa 2 nút nhấn điều khiển ON/OFF và một đèn báo tín hiệu mạch điều khiển, môt màn hình HMI, màn hình hiển thị của đồng hồ đo lường Phía trên tủ là 2 kim thu sóng Wifi và giao tiếp truyền thông Zigbee Đáy tủ gồm 1 dây nguồn lấy điện 3 pha vào, 1 dây lấy điện 3 pha cấp cho phụ tải

Trang 23

Tủ điện hoạt động như một thiết bị trung gian nằm giữu

nguồn cấp và phụ tải, nhiệm vụ đo đạc các thông số của nguồn

và dữ liệu điện tiêu thụ của phụ tải, hiển thị lên HMI gắn trên tủ

và gởi dữ liệu tới điện thoại thông minh, ngoài chức năng giám sát, tủ còn có chức năng đóng cắt nguồn 3 pha đưa vào tải

thông qua nút ON, OFF cảm ứng và vật lý Ngắt nguồn khi có sự

cố về pha

Khi lắp đặt tủ nhân viên điện lực hoặc người dùng không cần phải đến tận nơi lắp đặt để quan sát ,ghi chép số liệu cảu hệthống Việc làm thay thế đó là chỉ cần mở điện thoại lên đăng nhập vào thiết bị vậy là có thể theo dõi các thông số

Trang 24

Ngoài việc xem xét quản lý các số liệu, trong đề tài này

chúng tôi sẽ tạo ra các dạng dữ liệu trực quan hơn, theo dõi dễ dàng hơn đó là các đồ thị và biểu đồ Người dùng có thể so sánh các dữ liệu một cách đơn giản và nhanh chóng đưa ra các chuẩn đoán chính xác, tin cậy

- Nắm được kiến thức qui trình thiết kế, thi công tủ điện

- Tìm hiểu được cách sử dụng, làm việc với PLC và HMI

- Vận dụng và rèn luyện lại kến thức về đo lường

Về thực tiễn:

- Ứng dụng vào giám sát điều khiển lưới điện 3 pha dân dụng hoặc lưới điện 3 pha công nghiệp công suất nhỏ, công suất nhỏ hơn 7,5KW

- Có thể điều khiển giám sát thông qua Smartphone ở mọi lúc, mọi nơi

- Hiển thị chính xác được các thông số của nguồn điện (điện áp, dòng điện, công suất tiêu thụ, điện năng tiêu thụ, tần số, hệ số công suất) trên màn hình HMI

Trang 25

- Thời gian đáp ứng của việc điều khiển qua internet nhanh.

- Sản phẩm hoàn thành không những đạt các tiêu chuẩn về kỹ thuật mà còn đạt tính thẩm mỹ

Trang 26

1.3 Nội dung nghiên cứu

Các nội dung chính sẽ được thực hiện trong đề tài

Chương 1: Tổng quan

Giới thiệu chung về đề tài, và lý do chọn đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trong chương này chúng tôi sẽ trình bày về lý thuyết cơ bản của các giải pháp, các nội dung liên quan đến thiết bị được

sử dụng trong đề tài

Chương 3: Tính toán thiết kế

Trong chương này sẽ trình bày về các thiết kế phần cứng, thiết kế phần mềm và các thuật toán điều khiển

Chương 4: Thi công hoàn thiện

Đây là chương trình bày các bước thực hiện phần cứng và cài đặt, lập trình điều khiển

Chương 5: Kết quả thực nghiệm

Chương 5 sẽ trình bày các kết quả đã đạt được trong quá trình nghiên cứu và thi công đề tài

Chương 6: Kết luận hướng phát triển

Đây là chương nêu ra những kết luận và đưa ra hướng pháttriển của đề tài

1.4 Giới hạn nội dung nghiên cứu

- Thiết bị dừng lại ở việc điều khiển và giám sát những nguồn điện có công suất tiêu thụ ở mức trung bình cụ thể như trong hệ thống điện dân dụng, nhà máy sản suất nhỏ

Trang 27

- Các mạng truyển thông sử dụng trong đề tài bao gồm Modbus RTU, Ethernet, Internet.

- Việc điều khiển giám sát bằng Smartphone thông qua App của nhà sản xuất, không hỗ trợ điều khiển và giám sát trên internet thông qua trang web

- Màn hình giám sát chỉ hiển thị những thông số cơ bản của nguồn điện như: Điện áp, dòng điện, công suất tiêu thụ, điện năng tiêu thụ, tần số

Trang 28

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển, bộ điều khiển khả trình (PLC)

2.1.1 Lịch sử bộ điều khiển khả trình viết tắt PLC (Programmable Logic Controller)

Bộ điều khiển khả trình hoặc PLC đã cách mạng hóa ngành công nghiệp tự động hóa Ngày nay, PLC có thể được tìm thấy từcác thiết bị hiện đại trong nhà máy đến những máy móc cơ bản, nhưng trước những năm 1968, bộ điều khiển khả trình (PLC) thậm chí không tồn tại Thay vào đó, những gì tồn tại là một loạtcác thách thức cần một giải pháp

Để hiểu được lịch sử của PLC, trước tiên chúng ta phải dành một chút thời gian để hiểu các vấn đề tồn tại trước khi xuất hiện

bộ điều khiển khả trình Trước thời của PLC, cách duy nhất để điều khiển máy móc là sử dụng relay Relay hoạt động bằng cách sử dụng một cuộn dây, khi được cấp năng lượng, tạo ra mộtlực từ tính để kéo tiếp điểm về vị trí bật hoặc tắt một cách hiệu quả Khi relay bị mất điện, tiếp điểm sẽ nhả và đưa thiết bị về vị trí bật hoặc tắt ban đầu Ví dụ, nếu muốn điều khiển động cơ bậthay tắt, ta có thể gắn tiếp điểm của relay giữa nguồn điện và động cơ Sau đó, ta có thể điều khiển động cơ hoạt động bằng cách cung cấp năng lượng hoặc ngắt năng lượng vào cuộn dây của relay Nhưng khi một hệ thống lớn có rất nhiều động cơ chưa

kể đến việc các hệ thống nút nhấn và các tiếp điểm phụ để

khống chế việc vận hành, khi đó bắt đầu thấy một số vấn đề với

hệ thống điều khiển cơ điện này, nó trở nên vô cùng phức tạp vàcồng kềnh Thậm chí có những yêu cầu hệ thống phúc tạp đến mức khó có thể thiết kế và lắp đặt khi sử dụng các relay cơ học

Trang 29

Vì vậy giải pháp là gì ? Chắc chắn đây là câu hỏi mà các kỹ sưđiện trước thời PLC đang phải vật lộn mỗi ngày.

Trang 30

Vào những năm 1960, bộ điều khiển khả trình (PLC) được phát minh cho ngành sản xuất ô tô ở Mỹ được sử dụng để thay thế các bảng điều khiển sử dụng relay cơ học Trước sự phát triển của PLC, hàng ngàn relay, bộ hẹn giờ, bộ giải mã và bộ điều khiển vòng kín chuyên dụng đã được sử dụng để sản xuất ô

sư và kỹ thuật viên Ngành công nghiệp ô tô vẫn là một trong những ngành dùng PLC lớn nhất hiện nay

Vào đầu những năm 1970, thông tin liên lạc giữa các PLC bắt đầu phát triển Modbus được giới thiệu là mạng truyền thông công nghiệp đầu tiên Mạng truyền thông này dựa trên kiến trúc Master / Slave sử dụng tín hiệu để liên lạc giữa các trạm

Modbus Giao tiếp ban đầu của nó chạy trên RS-232 nhưng các phiên bản phát triển sau đó đã sử dụng RS-485 để cho phép liên lạc nhanh hơn có thể kết nối với khoảng cách xa hơn Tuy nhiên,việc thiếu tiêu chuẩn hóa và thay đổi công nghệ khiến truyền thông PLC trở nên khó khăn và bộc lộ nhiều bất cập

Vào năm 1980, General Electrical đã cố gắng chuẩn hóa việc kết nối các thiết bị từ nhiều nhà sản xuất với Giao thức tự động hóa sản xuất (MAP) Phần mềm lập trình PLC cũng được phát

Trang 31

triển để chạy trên máy tính cá nhân nhằm loại bỏ nhu cầu về thiết bị đầu cuối lập trình chuyên dụng hoặc lập trình viên cầm tay.

Trong những năm 1990, có ít giao thức truyền thông mới đượcgiới thiệu và tiêu chuẩn mới nhất thời điểm đó là (IEC 1131-3) đãhợp nhất các ngôn ngữ lập trình PLC thành tiêu chuẩn quốc tế Các PLC cũng được lập trình bằng cách sử dụng khối chức năng, danh sách hướng dẫn và văn bản có cấu trúc và PC bắt đầu thaythế PLC trong một số ứng dụng

PLC đã phát triển qua nhiều năm để bao gồm điều khiển

chuyển động, điều khiển quá trình, hệ thống điều khiển phân tán(DCS) và kết nối mạng phức tạp Khả năng xử lý dữ liệu và khả năng giao tiếp của PLC tương đương với máy tính để bàn

Hình 2 1: Bộ điều khiển khả trình PLC

2.1.2 Ngôn ngữ lập trình PLC

Trang 32

Sơ đồ thang (Ladder Diagram)

Hình 2 2: Sơ đồ ngôn ngữ bậc thang

Ladder Diagram (LD) là một loại ngôn ngữ lập trình PLC Nócòn được gọi là logic bậc thang Ladder Diagram là ngôn ngữ lậptrình trực quan, do đó dễ học hơn các ngôn ngữ PLC khác

Ladder Diagram tuân thủ tiêu chuẩn IEC 61131-3 cho các bộ điều khiển logic khả trình, có nghĩa là nó được chính thức công nhận là ngôn ngữ lập trình trên toàn thế giới Với Ladder

Diagram, lập trình viên có thể lập trình bằng cách kết hợp các biểu tượng để thực hiện các hành động cụ thể Ladder Diagram

là một trong những loại ngôn ngữ lập trình PLC phổ biến nhất vì

nó được biết đến là trực quan, có các công cụ gỡ lỗi tốt và biểu diễn tốt cho logic rời rạc Một nhược điểm lớn của ngôn ngữ lập trình Ladder Diagram là nó được coi là có cấu trúc dữ liệu kém vì

dữ liệu không được tổ chức tốt

Biểu đồ chức năng tuần tự (Sequential Function Charts)

Trang 33

Hình 2 3: Biểu đồ chức năng tuần tự

Trang 34

Biểu đồ chức năng tuần tự (SFC) là ngôn ngữ lập trình PLC cho phép lập trình viên viết mã theo thứ tự thời gian Giống như ngôn ngữ PLC sơ đồ bậc thang, ngôn ngữ SFC được định hướng bằng đồ họa SFC có lợi ích là tương đối dễ hiểu vì người lập trình

có thể hình dung những gì đang xảy ra và khi nào nó đang xảy

ra trong quy trình của mã Chỉ các phần hoạt động của mã SFC được thực thi, giúp khắc phục sự cố và thay đổi mã dễ dàng hơn nếu xảy ra sự cố

Sơ đồ khối chức năng (Function Block Diagram)

Hình 2 4: Sơ đồ khối chức năng

Ngôn ngữ lập trình sơ đồ khối chức năng (FBD) được tạo ra

để cải thiện các vấn đề với lập trình văn bản và ngôn ngữ lập trình sơ đồ bậc thang cũ Các yếu tố cơ bản của lập trình FBD là định danh, từ khóa, kiểu dữ liệu và biến FBD cho phép lập trình viên xem hệ thống mà họ đang lập trình theo luồng tín hiệu giữacác yếu tố đang được xử lý Lập trình viên có thể mô tả các vòngđiều khiển và logic với FBD theo những cách mà họ không thể với các ngôn ngữ PLC khác Giống như ngôn ngữ PLC sơ đồ bậc

Trang 35

thang, FBD được công nhận theo tiêu chuẩn IEC 61131-3 cho PLC.

Trang 36

Văn bản có cấu trúc (Structured Text)

Hình 2 5: Cấu trúc văn bản

Văn bản có cấu trúc (ST) là một loại ngôn ngữ PLC khác và hoàn toàn dựa trên văn bản Không giống như LD và FBD, ST giống với các ngôn ngữ lập trình như Basic và Pascal sử dụng các câu lệnh If-Then-Else, While Do đó, nếu lập trình viên đã lập trình bằng các ngôn ngữ với các câu lệnh này, họ sẽ thấy thoải mái khi sử dụng ST cho PLC ST cũng thường dễ hiểu hơn đối với cả lập trình viên mới làm quen và chưa có kinh nghiệm vìcác câu lệnh If-Then-Else cho thấy rõ cách thức chương trình hoạt động

Danh sách hướng dẫn (Instruction List)

Trang 37

Hình 2 6: Danh sách hướng dẫn trong ngôn ngữ lập trình IL

Danh sách hướng dẫn (IL) Lập trình PLC sử dụng các hướngdẫn ghi nhớ từ sơ đồ bậc thang và gửi hướng dẫn đến PLC thông qua thiết bị đầu cuối lập trình IL khác với các ngôn ngữ PLC đồ họa khác ở chỗ nó không phải là đồ họa và thay vào đó là một loạt các hướng dẫn văn bản Nó tương tự như lập trình ngôn ngữ lắp ráp Nếu lập trình viên đã lập trình bằng ngôn ngữ lắp ráp, IL

có thể là một lựa chọn hoàn hảo cho họ IL được biết đến để thựchiện nhanh chóng do có chi phí thấp Nhược điểm chính của việc

sử dụng lập trình IL là ngôn ngữ không phổ biến như các ngôn ngữ PLC khác

2.1.3 Ứng dụng của PLC trong thời đại công

nghệ 4.0

Trong thời đại công nghệ hiện nay sự có mặt của PLC trong các dây chuyền sản xuất là điều cơ bản nhất, các hệ thống sản xuất, các máy móc phần lớn đều có sự hiện diện của PLC, bởi tính ưu việt trong thiết kế, vận hành và xử lý số liệu Không những thế, những thế hệ PLC mới hiện nay còn có nhiều chức năng hiện đại như kết nối Internet, tích hợp các phần mềm điều

Trang 38

khiển và tương tác thông qua điện smartphone đó là cơ sở để phát triển những hệ thống hiện đại và xử lý thông minh trong bốicảnh cách mạng công nghiệp 4.0 đang phát triển từng giờ.

2.2 Cơ sở lý thuyết đo lường, đồng hồ đo lường điện

Đo lường điện bao gồm các phương pháp, thiết bị và phép toán được sử dụng để đo đại lượng điện Sử dụng các thiết bị cảm biến các dụng cụ đo lường để thu thập các thông tin sau đó tính toán để đưa ra các con số theo quy chuẩn phục vụ cho

nhiều mục đích khác sau đó

Các đại lượng đo cơ bản bao gồm:

V - Điện thế, là mức năng lượng điện tại một điểm trong điện trường so với mức năng lượng tại một điểm lấy làm gốc Ví dụ trong điện trường ta có 2 diểm A và B lấy diểm A làm gốc khi đó điện thế tại B sẽ là chênh lệch mức năng lượng điện giữa A và B.Hoặc trong một mạng điện 3 pha ta lấy dây trung tính làm gốc thì điện áp trên mỗi pha được gọi là điện áp pha đó là sự chênh lệch điện áp giữa dây pha đó với dây trung tính và có giá trị bằng 220V, nếu ta lấy một dây trong 3 dây pha làm gốc thì điện

áp trên các pha còn lại sẽ là điện áp dây và có giá trị 380V

A - Ampe, là đơn vị của cường độ dòng điện Cường độ dòng điện là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh yếu của dòng điện hay

là đặc trưng cho số lượng các điện tử đi qua tiết diện của vật dẫntrong một đơn vị thời gian

W - Watt, là đại lượng đo công suất sử dụng điện Công suất điện của một đoạn mạch là công suất tiêu thụ điện năng của đoạn mạch đó và có trị số bằng điện năng mà đoạn mạch tiêu thụ trong một đơn vị thời gian Hoặc bằng tích hiệu điện thế giữa

Trang 39

hai đầu đoạn mạch và cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch đó

Wh - Watt Giờ, là lượng năng lượng điện được tiêu thụ bởi mộtmạch trong một khoảng thời gian Ví dụ, một bóng đèn tiêu thụ một trăm watt điện trong một giờ Nó thường được sử dụng dưới dạng: Wh (watt-giờ), kWh (Kilowatt-giờ) là 1.000 watt-giờ hoặc MWh (Megawatt-giờ) là 1.000.000 watt-giờ

dB - Decibel , decibel là đơn vị một phần mười của Bel (ký hiệu B) và được sử dụng để biểu thị mức tăng trong điện áp, dòng điện hoặc công suất Nó là một đơn vị logarit được biểu thị bằng dB và thường được sử dụng để biểu thị tỷ lệ đầu vào so với đầu ra trong bộ khuếch đại, mạch âm thanh hoặc hệ thống loa.Góc pha , Góc pha là chênh lệch độ giữa dạng sóng điện áp

và dạng sóng hiện tại có cùng thời gian định kỳ Đó là một sự khác biệt về thời gian hoặc sự thay đổi thời gian và tùy thuộc vào yếu tố mạch Góc pha của dạng sóng được đo bằng độ hoặc radian

Tần số góc , Một đơn vị khác chủ yếu được sử dụng trong các mạch điện xoay chiều để biểu thị Mối quan hệ Pha giữa hai hoặc nhiều dạng sóng được gọi là Tần số góc, ký hiệu Đây là một đơn

vị quay có tần số góc 2πƒ với đơn vị tính bằng radian trên giây , ƒ với đơn vị tính bằng radian trên giây , rads / s Cuộc cách mạng hoàn chỉnh của một chu kỳ là 360 độ hoặc 2πƒ với đơn vị tính bằng radian trên giây , , do đó, một nửa vòng quay được đưa ra là 180 độ hoặc

πƒ với đơn vị tính bằng radian trên giây , rad

2.3 Cơ sở lý thuyết về thiết bị điện và khí cụ điện

Khí cụ điện là những thiết bị dùng để đóng ngắt, điều khiển, khống chế các đối tượng điện cũng như không điện và bảo vệ

Trang 40

con người trong các trường hợp sự cố Khí cụ điện có nhiều

chủng loại với chức năng, nguyên lý làm việc và kích thước khác nhau, được dùng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của cuộc sống

khí cụ điện là những thiết bị không thể thiếu trong các tủ điệncũng như các hệ thống điện từ đơn giản đến phúc tạp Theo chức năng khí cụ điện được phân loại như sau:

Nhóm khí cụ đóng cắt: Chức năng chính của nhóm khí cụ này là đóng cắt bằng tay hoặc tự động các mạch điện

Ví dụ: Cầu dao , máy cắt, dao cách ly, các bộ chuyển đổi nguồn …

Nhóm khí cụ hạn chế dòng điện, điện áp: Chức năng của

nhóm này là hạn chế dòng điện, điện áp trong mạch không vượt quá mức quy định

Ví dụ: Kháng điện, van chống sét, …

Nhóm khí cụ khởi động, điều khiển: Nhóm này gồm các

khí cụ có chắc năng tự động đóng cắt tiếp điểm để khởi động hệ thống hoặc các thiết bị khác

Ví dụ: Khởi động, khống chế, công tắc tơ, khởi động từ …

Nhóm khí cụ kiểm tra theo dõi: Nhóm này có chức năng

kiểm tra, theo dõi sự làm việc của các đối tượng và biến đổi các tín hiệu không điện thành tín hiệu điện

Ví dụ: Các relay, các bộ cảm biến …

Nhóm khí cụ biến đổi điện : Nhóm này có chức năng biến

đổi trị số của các đại lượng điện hoặc biến đổi các dạng năng lượng điện để phục vụ cho việc sử dụng hoặc đo lường

Định dạng
Số trang	194
Dung lượng	16,98 MB
File đính kèm	Video + Code + pp.rar (24 MB)