Nghiên cứu thiết kế hệ thống quản lý năng lượng sử dụng plc siemens s7 1200

Điều này dẫn đến yêu cầu một hệ thống cấp điện có khả năng giám sát và lưu trữ các thông số hệ thống điện như KW, KVA, KVAr, A, V, THD,…để có thể thiết lập các tình huống, chiến thuật sử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

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) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA……

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I TÊN ĐỀ TÀI:Nghiên cứu thiết kế hệ thống quản lý năng lượng sử dụng PLC Siemens S7-1200 và Tìm hiểu về thuật toán tối ưu GWO

II NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

 Tìm hiểu phương pháp truyền thông giữa PLC S7-1200 Siemens và đồng hồ đo năng lượng PM1200 Scheneider

 Thực hiện thiết kế giao diện hiển thị thông tin từ đồng hồ đo năng lượng PM1200 Scheneider trên máy tính thông qua PLC Siemens S7-1200

 Thực hiện sao lưu các dữ liệu thu thập được từ PM1200 về máy tính

 Sử dụng thuật toán tối ưu Di truyền để giải bài toán phân công phiên làm việc của thiết bị điện trong hộ gia đình

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 16/01/2017

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/06/2017

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:TS Nguyễn Ngọc Tú

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này, tôi nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô và bạn bè trong trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới:

Thầy TS Nguyễn Ngọc Tú người đã hết lòng truyền đạt những kiến thức và kinh

nghiệm thực tiễn quý báu cho tôi trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp này

Đồng thời, tôi xin cảm ơn tất cả quý thầy cô trường Đại Học Bách Khoa nói chung

và quý thầy cô khoa Điện - Điện tử và bộ môn Thiết bị Điện nói riêng đã tận tình giảng dạy, trang bị cho em những kiến thức bổ ích trong thời gian học tập tại trường

Tôi xin cảm ơn tất cả bạn bè, đồng nghiệp và đặc biệt nhóm thực hiện ở phòng thí nghiệp Kỹ thuật điện – Trường Đại học Bách Khoa TPHCM dưới sự hướng dẫn của thầy

TS Nguyễn Ngọc Tú đã động viên, góp ý và giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn

Cuối cùng, con xin cảm ơn ba mẹ, gia đình đã là nguồn động viên và là chỗ dựa vững chắc nhất của con trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Tp HCM, tháng 06 năm 2017

NGUYỄN TIẾN THÀNH

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Điện năng đóng vai trò tối quan trọng trong đời sống cũng như trong sản xuất và nền kinh tế Trong bối cảnh hiện tượng nóng lên toàn cầu cũng như giá và chi phí sản xuất năng lượng thiếu ổn định do sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hoá thạch, đòi hỏi việc quản lý và sử dụng điện năng một cách tối ưu nhất để có thể giảm chi phí sản xuất, tiết kiệm năng lượng và tối

ưu hóa lợi nhuận cho doanh nghiệp Việc sử dụng điện năng tiết kiệm không đồng nghĩa với việc cắt giảm các nhu cầu điện mà nên được hiểu rằng nằm ở chỗ cách chúng ta vận hành hệ thống, theo dõi các nhu cầu điện hằng ngày và tối ưu hóa các tổn thất truyền tải, sử dụng mà vẫn đảm bảo các nhu cầu sử dụng điện năng

Điều này dẫn đến yêu cầu một hệ thống cấp điện có khả năng giám sát

và lưu trữ các thông số hệ thống điện như KW, KVA, KVAr, A, V,

THD,…để có thể thiết lập các tình huống, chiến thuật sử dụng Điện năng hợp

lí theo nhu cầu phụ tải dựa trên các thuật toán tối ưu Hệ thống giám sát thu thập này còn phải thỏa mãn các yêu cầu về giá thành, đơn giản hóa tối ưu việc vận hành cho kỹ thuật viên, lắp đặt đơn giản và có tính tương thích ngược để các hệ thống cũ có thể nâng cấp lên

Trong khuôn khổ luận văn này sẽ nghiên cứu về cách sử dụng bộ xử

lý PLC S7-1200 Siemens kết hợp với đồng hồ đo năng lượng PM1200

Schneider để giải quyết các vấn đề trên

ABSTRACT

Electricity has been playing a crucial role in our daily lives as well as goods production and economy With the event of global warming and the cost of producing energy being heavily relied on fossil fuel production which has been proven unstable, it’s needed that we have good energy management along with energy comsumption strategies which enable us to reach for the cutting of energy cost, energy saving and production profit optimization for business Speaking those doesn’t mean we have to sacrifice our needs for energy but to find out a solution that we can maintain efficiently, observe daily energy demand, optimize the transmission lose, and everyday usage for

we can ensure the continuity of power demand

Those requirements have placed a fundamental needs for solution of a symtem that can closely observe and store electrical parameters such as KW, KVA, KVAr, A, V, THD,…for us to establish scenerios and plans that can optimize our energy demand with optimal algorithms This system is also required to be cost-efficient, having friendly user interfaces, easily set up and backward compatible for older system to be able to upgrade

In this thesis, we have studied how to communicate the Programmable Logic Controller S7-1200 by Siemens with the PowerMeter 1200 provided

by Schneider to solve above problems

MỤC LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN ii

ABSTRACT iii

DANH MỤC HÌNH MINH HỌA vii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1

1.1.LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 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 5

1.3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 6

1.4 Mục tiêu của đề tài 7

1.5 Nội dung nghiên cứu 7

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 Cấu trúc truyền thông 8

2.2 Chuẩn truyền dẫn RS-485 10

2.3.1 Giao thức truyền thông ngang hàng 17

2.3.2 Giao thức mạng Ethernet 17

2.3.3 Giao thức mạng Modbus 19

CHƯƠNG 3: SẮP XẾP PHIÊN LÀM VIỆC THIẾT BỊ ĐIỆN SỬ DỤNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN 25

3.1 Mô hình hóa bài toán tối ưu chi phí tiền điện mỗi tháng cho hộ gia đình: 25

3.1.1 Phân loại phụ tải: 26

3.1.2 Cách tính chi phí năng lượng 29

3.2 Mô hình hóa bài toán và giải pháp thuật toán: 30

3.2.1 Mô hình hóa toán học: 30

3.2.2 Thuật toán giải quyết vấn đề: 31

3.2.2.1 Mã hóa và xây dựng tập hợp thời gian biểu khởi tạo: 33

3.2.2.2 Quá trình chọn lọc: 34

3.2.2.3 Quá trình kết hợp và dị biến: 34

3.2.2.4 Quá trình thay thế: 35

3.2.3 Vùng thuận lợi: 36

3.3 Mô phỏng và thảo luận kết quả: 37

CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH TIA PORTAL VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN WEB SERVER 44

4.1 Giới thiệu chung về đồng hồ năng lượng PM1200 44

4.1.1 Sơ đồ đấu dây Đồng hồ PM1200 45

4.1.2 Địa chỉ thanh ghi của đồng hồ PM1200 46

4.1.3 Cách kết nối các chân RS485 để truyền thông giữa S7-1200 và PM1200 48

4.2 Mô hình thiết kế quản lí và giám sát năng lượng 49

4.3 Khối lập trình MODBUS để truyền thông giữa s7-1200 và PM1200 49

4.3.1 Lập trình Modbus để đọc giá trị PM1200 49

4.3.2 Tạo DB lưu các tag đọc về từ đồng hồ PM1200 52

4.3.3 Khối lệnh Datalog Create 55

4.3.4 Khối lệnh ghi giá trị vào file csv 56

4.3.5 Tạo delay timer 1 phút 56

4.3.6 Khối cảnh báo dùng Toast.js 57

4.3 Lập trình Webserver sử dụng HTML, JavaScript 59

4.3.1 Gán địa chỉ IP trực tuyến cho PLC 59

4.3.2 Thiết lập trong TIA Portal để kích hoạt webserver User-defined 59

4.3.3 Đọc dữ liệu dùng data script 60

4.3.4 Vẽ đồ thị theo thời gian thực 61

4.3.5 Tạo đồng hồ gauge hiển thị trên web server 64

4.3.6 Code HTML để hiển thị file csv trên trang web 67

4.4 Cài đặt Scheduler Task để tự động download file datalog từ PLC về lưu trữ trên PC 68

4.5 Kích hoạt dịch vụ Internet Information Services 71

4.6 Tạo nút bấm Start/Stop 73

4.7 Sử dụng Toastr.js để tạo cảnh báo 74

4.8 Trang cảnh báo sử dụng lệnh AWP Enum types 75

4.9.Tải User-defined Webpage lên PLC 76

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐO LƯỜNG, ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BA PHA KHÔNG ĐỒNG BỘ 78

5.1 Mô tả về hướng thực hiện mô hình 78

5.2 Giới thiệu các thiết bị trong mô hình 79

5.2.1 PLC Simatic S7-1200 CPU 1212C AC/DC/Rly 79

5.2.2 Đồng hồ năng lượng Schneider PM1200 79

5.2.3 Aptomat bảo vệ các động cơ loại từ nhiệt Schneider GV2ME 80

5.2.4 Contactor Schneider LC1K0610K7 80

5.2.5 Động cơ ba pha không đồng bộ và máy phát 80

5.2.6 Bộ nguồn cấp điện áp ba pha 81

5.3 Sơ đồ kết nối các thiết bị 82

5.3.1 Đấu dây kết nối PLC với các thiết bị 82

5.3.2 Đấu nguồn 3 pha qua đồng hồ PM1200 82

5.3.3 Đấu dây động cơ 3 pha không đồng bộ 83

5.4.Chương trình điều khiển trong TIA Portal 83

5.5.Chạy chương trình, khởi động động cơ và quan sát dữ liệu trên web server 87

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 91

7.1 Kết luận: 91

7.2 Hướng nghiên cứu đề tài: 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

DANH MỤC HÌNH MINH HỌA

Hình 1.1:Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua sóng vô tuyến RF [12] 4

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] 5

Hình 2.1: Mô hình OSI cho giao thức truyền thông 9

Hình 2.2: Sơ đồ bộ kích thích (driver) và bộ thu (receiver) RS-485 11

Hình 2.3: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485 12

Hình 2.4: Định nghĩa một tải đơn vị 13

Hình 2.5: Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn 13

Hình 2.6: cấu hình mạng RS-485 14

Hình 2.7: Dây xoắn đôi 15

Hình 2.8: Cấu hình mạng RS-485 sử dụng 4 dây 15

Hình 2.9: Phương pháp chặn đầu cuối RS485 16

Hình 2.10: Giao thức Modbus tương ứng với lớp 7 của mô hình OSI 19

Hình 2.11: Kết nối dây home run so với Modbus 23

Hình 3.1 Một ví dụ về bố trí phiên làm việc thiết bị điện 25

Hình 3.2 Các bước thuật toán Di truyền thực hiện việc phân công phiên làm việc thiết bị 33

Hình 3.3 Mã hóa phương pháp sắp xếp phiên làm việc 34

Hình 3.4 Quá trình kết hợp giữa một cặp “Cha” “Mẹ” 35

Hình 3.5 Lưu đồ giải thuật bài toán 39

Hình 3.6 Code để thực hiện công tác Kết hợp và Dị biến 40

Hình 3.7 Tín hiệu Real Time Pricing (RTP) 41

Hình 4.1 Đồng hồ đo năng lượng Scheneider PM1200 44

Hình 4.3: Sơ đồ đấu dây tải 3 Pha 4 dây Wye 45

Hình 4.2: Tổ đấu dây Đồng hồ PM1200 45

Hình 4.4: Sơ đồ đấu dây tải 1 Pha 2 dây 46

Hình 4.5: Mô hình Quản lý năng lượng sử dụng PLC 49

Hình 4.6 Các khổi Modbus RTU 50

Hình 4.7 Cấu hình khối MB_COMM_LOAD 51

Hình 4.8 Cấu hình khối MB_MASTER 52

Hình 4.9 Tạo thêm PLC Data type 53

Hình 4.10 Các biến tạo ra trong PLC Data Type 54

Hình 4.11 Chỉ định biến “Mettered Data” lưu các giá trị của biến “Input” 54

Hình 4.12 Khối DataLogCreate_DB 55

Hình 4.13 Khối DataLogWrite_DB 56

Hình 4.14 Khối Delay Time 57

Hình 4.15 Khối lập trình báo lỗi 58

Hình 4.16 Gán địa chỉ IP cho PLC 59

Hình 4.17 Kích hoạt web server trên s7-1200 59

Hình 4.18 Cách tạo bảng table trên web từ file csv 67

Hình 4.19 Giao diện của công cụ Scheduler task 68

Hình 4.20 Khởi tạo task mới 69

Hình 4.21 Cài đặt tab Trigger 69

Hình 4.22 Cài đặt nâng cao của tab Trigger 70

Hình 4.23 Cài đặt tác động download bằng trình duyệt Firefox 70

Hình 4.24 Cài đặt trong trình duyệt Firefox 71

Hình 4.25 Vào hộp thoại kích hoạt các dịch vụ của Windows 72

Hình 4.26 Kích hoạt Internet Information Services 73

Hình 4.27 Trang web mặc định của s7-1200 76

Hình 4.28 Nhập đường dẫn của Main page vào folder lưu 77

Hình 5.1 Mô hình đo lường và điều khiển động cơ 78

Hình 5.2 CPU 1212C AC/DC/Rly 79

Hình 5.3 Đồng hồ PM1200 79

Hình 5.4 động cơ loại nhiệt Schneider GV2ME 80

Hình 5.5 Contactor LC1K0610K7 80

Hình 5.6 Động cơ 3 pha không đồng bộ 81

Hình 5.7 Bộ nguồn cấp điện áp 3 pha 81

Hình 5.8 Đấu dây cho PLC 82

Hình 5.9 Đấu dây cho đồng hồ PM1200 82

Hình 5.10 Đấu dây cho động cơ 83

Hình 5.11 Giao diện trang Main Page 88

Hình 5.12 Các thông số hiển thị trên Main pgae 88

Hình 5.13 Giao diện trang đồ thị điện áp 89

Hình 5.14 Giao diện trang đồ thị dòng 89

Hình 5.15 Giao diện Data Memo 90

Hình 5.16 Đồ thị năng lượng 90

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các thông số quan trọng của RS-485 10

Bảng 2.2 Thông số của các phương pháp 16

Bảng 2.3 Các mã chức năng 21

Bảng 2.4 Địa chỉ thanh ghi theo chuẩn Modbus 22

Bảng 3.1 Công suất các thiết bị và thời gian sử dụng 27

Bảng 3.2 Các trường hợp đơn giá tiền điện 36

Bảng 3.3 Các thông số thiết lập ban đầu của GA 37

Bảng 4.1: Địa chỉ thanh ghi của đồng hồ PM1200 46

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1.LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Năng lượng vừa là ngành sản xuất vừa là ngành kết cấu hạ tầng cho toàn bộ nền kinh tế - xã hội, là động lực của công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Chính vì vậy ngành năng lượng có ý nghĩa quan trọng trong tiến trình phát triển bền vững của kinh tế quốc dân và đời sống dân sinh Nắm được quy luật hoạt động và kiểm soát nguồn năng lượng đang sử dụng là điều kiện tiên quyết giúp doanh nghiệp tang khả năng cạnh tranh và tối ưu hóa sản xuất Tuy nhiên đang hiện hữu một thực tế nguồn năng lượng truyền thống đang cạn kiệt dần tỷ lệ thuận với tốc độ phát triển kinh tế

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

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

nănglượng 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

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 excel 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 Excel

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

- 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 dung 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 S7-1200 do Siemens sản xuất

- Thiết kế giao diện Webserver PLC để thu thập các thông số của nguồn cấp thông qua đồng hồ năng lượng PM1200 Schneider

- Nghiên cứu phương pháp quản lí năng lượng cho một công trình đặc thù

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…

- Giao diện Webserver PLC S7-1200 lấy dữ liệu truyền từ đồng hồ PM1200 về

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

hồ điện, PLC…

- Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình, kết nối vận hành hệ thống

- Trình bày nghiên cứu về phương pháp quản lý năng lượng

- 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 THUYẾT2.1 Cấu trúc truyền thông

Cấu trúc truyền thồn là những quy định trong việc truyền thông tin giữa các thiết bị trong một hệ thốn 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 tring 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 mang 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 giữa 2 thiết bị

Hình 2.1: Mô hình OSI cho giao thức truyền thông

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 caanf 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 Modbuss đơn giản, rẻ, phổ biến và dễ sử dụng Được phát minh từ thế kỉ trước gần (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 fiedbus, Modbus vẫn là protocol mà các nhà cung cấp lựa chọng cho các thiết bị thế hệ cũ và mới

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

2.2 Chuẩn truyền dẫn RS-485

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

Bảng 2.1 Các thông số quan trọng của RS-485

Điện áp chế độ chung

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 tristate

Hình 2.2: 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

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

Hình 2.4: 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 2.5: 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 2.6: 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 2.7: 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

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 2.9: Phương pháp chặn đầu cuối RS485 Bảng 2.2 Thông số của các phương pháp

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 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 - Độ sẵn sàng cao do cấu trúc mạng có dự phòng

- Thực hiện truyền thông gần như là không giới hạn do có thể áp dụng công nghệ chuyển mạch

- Kết nối mạng của nhiều khu vực khác nhau, ví dụ như mạng văn phòng và mạng khu vực sản xuất

- 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 2.10: 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

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 2.4 Địa chỉ thanh ghi theo chuẩn Modbus

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

- Đọc và viết dữ liệu

Modbus có tới 255 mã chức năng, nhưng 1 (cuộn cảm đọc), 2 (đầu vào rời rạc đọc), 3 (bộ ghi Holding đọc), và 4 (bộ ghi đầu vào đọc) là các chức năng đọc được

sử dụng phổ biến nhất để thu thập dữ liệu từ các thiết bị tớ Thí dụ, để đọc 3 từ 16 bit dữ liệu analog từ bản đồ bộ nhớ của thiết bị 5, chủ sẽ gửi một yêu cầu như sau:

5 04 2 3 CRC

Trong đó, 5 là địa chỉ thiết bị, 4 đọc bộ ghi đầu vào, 2 là địa chỉ khởi đầu (địa chỉ 30,002) 3 có nghĩa là để đọc 3 giá trị dữ liệu kề nhau xuất phát từ đại chỉ 30,002, và CRC là giá trị kiểm tra lỗi thông điệp này Thiết bị tớ, ngoài việc nhận

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

5 04 aa bb cc CRC

Hình 2.11: 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, mạng Modbus TCP/IP có nhiều tớ như lớp vật lí có thể sử dụng Thông thường, con

số này khoảng 1024 Sự tiếp nhận nhanh chóng của Ethernet trong ngành điều khiển và tự động hóa quá trình làm cho Modbus TCP/IP trở nên được sử dụng rộng rãi nhất, tăng trưởng nhanh nhất, và được hỗ trợ protocol công nghiệp thông qua Ethernet Mặc dù các nhà cung cấp PLC mọi kích cỡ đã tiếp nhận các protocol độc quyền qua Ethernet của họ, hầu hết cung cấp Modbus TCP/IP Và đối với các nhà cung cấp hiện không cung cấp Modbus TCP/IP, có nhiều công ty như Prosoft

Technologies và SST cung cấp các phiên bản kiểu khung trong card truyền thông Modbus TCP/IP và các cổng đơn Không giống Modbus RTU và Modbus ASCII, Modbus TCP/IP sẽ cho phép nhiều chủ thu được thiết bị Điều này có thể xảy ra, thông qua Ethernet sử dụng TCP/IP, nhiều thông điệp có thể được gửi đi, đệm, truyền, đây thường là trong trường hợp có nhiều protocol RS-485 và RS-422

2.3.3.5 Ứng dụng của giao thức Modbus

- Modbus là một giao thức truyền thông mở, là phương thức truyền thông phổ biến nhất được sử dụng để kết nối các thiết bị điện tử công nghiệp

- Truyền các tín hiệu từ các thiết bị đo, thiết bị điều khiển trở về bộ điều khiển chính hay hệ thống thu thập dữ liệu

- Kết nối máy tính giám sát với một thiết bị điều khiển

CHƯƠNG 3: SẮP XẾP PHIÊN LÀM VIỆC THIẾT BỊ ĐIỆN SỬ DỤNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN

Với lượng số liệu về các thông số hệ thống được thu thập và lưu trữ trên PC dùng PLC nêu trên, cần thiết để có một thuật toán để xử lí các thông số thu thập về, đưa ra cái giải pháp, chiến thuật sử dụng điện năng hợp lí trong ngày của một hộ tiêu thụ điện hoặc một văn phòng tiêu thụ điện Một trong những chiến thuật quản lí năng lượng được sử dụng rộng rãi là sử dụng các thuật toán tối ưu để tái sắp xếp lại việc sử dụng các phụ tải của hệ thống, cân chỉnh lại thời gian bật tắt các thiết bị điện, thực hiện việc tính toán các thói quen sử dụng điện, từ đó đưa ra mô hình toán học cho phụ tải Ở các chương 4,5 ta đã hoàn thành việc thu thập các số liệu về thói quen sử dụng phụ tải, ở chương 6 này ta thực hiện việc xử lí các thông số thu thập được và tìm hiểu về thuật toán tối ưu Genetic Algorithm, thuật toán di truyền, để tìm điểm tối ưu việc tái bố trí sắp xếp sử dụng phụ tải

3.1 Mô hình hóa bài toán tối ưu chi phí tiền điện mỗi tháng cho hộ gia đình:

Hình 1 là một ví dụ điển hình về giải pháp phân công làm việc cho các thiết bị gia dụng dựa trên hàm giá điện cho trước Chiều cao của hộp nhiệm vụ trong hình minh họa cho công suất của mỗi công tác mà thiết bị gia dụng sử dụng khi ở chế độ

Hình 3.1 Một ví dụ về bố trí phiên làm việc thiết bị điện

chạy

Trong luận văn này, mô hình khung giờ được sử dụng trong tất cả các mô hình Tất cả những tham số giá tiền của hệ thống cũng như các quyết định phân công làm việc cho thiết bị gia dụng được thực hiện theo tổng những khoảng thời gian rời rạc với cùng một chiều dài thời gian Cho nên khoảng thời gian phân bố công việc được chia thành những khung thời gian cố định Ở mô hình này, một ngày được chia thành 24 khung giờ, mỗi khung giờ dài 1 giờ, công việc chỉ có thể bắt đầu ở đầu khung giờ này và kết thúc vào cuối các khung giờ kế tiếp

3.1.1 Phân loại phụ tải:

Giả sử ta có N căn hộ được trang bị hệ thống xử lí thông số phụ tải và đồng hồ

điện thông minh, mỗi căn hộ có m thiết bị điện Đối với mỗi hộ tiêu thụ điện, An =

asi + asni + ar đại diện cho tổng các loại thiết bị, với asi là phụ tải có thể gián đoạn, có thể thay đổi ca làm việc, asni là phụ tải không thể gián đoạn nhưng có thể thay đổi ca làm việc và ar là các phụ tải bình thường khác Các thiết bị điện này được phân công công tác trong mỗi khung giờ 24 tiếng đồng hồ τ ∈ T với T là tập hợp 24 khung giờ trong 1 ngày Để đơn giản hóa bài toán sắp xếp khung giờ làm việc, ta xác định 10 loại thiết bị điện dân dụng khác nhau được chia thành 3 nhóm chính Việc phân nhóm này dựa vào yêu cầu về thời gian vận hành và năng lượng tiêu thụ Các thiết

bị điện cùng với công suất danh định cùng với thời gian vận hành được thể hiện ở bảng 3.1

Bảng 3.1 Công suất các thiết bị và thời gian sử dụng

Nhóm thiết bị Thiết bị Công suất danh định Thời gian sử dụng

Không thể gián đoạn

Có thể tái phân công ca làm

Thiết bị điện bình thường

3.1.1.1 Các thiết bị điện có thể gián đoạn, có thể tái phân công ca làm:

Những thiết bị điện ở phân loại này có thể thay đổi ca làm ở bất cứ khung thời gian nào trong ngày và có thể gián đoạn, chia ca làm việc ra thành nhiều ca nhỏ hơn khi cần thiết Những thiết bị này bao gồm máy hút bụi, máy nước nóng, máy bơm, máy rửa chén dĩa, máy sấy tóc,

Với Psi là công suất danh định của mỗi thiết bị điện, tổng công suất điện của căn hộ được biểu hiện bới biểu thức sau:

𝜏=1 𝐴𝑠𝑖

(3.1)

Tổng chi phí năng lượng một ngày của các phần tử có thể gián đoạn được trong khung thời gian T được biểu hiện bởi biểu thức sau: