ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN TIẾN THÀNH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUẢN LÝ
NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG PLC SIEMENS S7-1200
Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số : 60520202

LUẬN VĂN THẠC

Tp. Hồ Chí Minh, 6.2017


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
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

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN TIẾN THÀNH

MSHV: 1570392

Ngày, tháng, năm sinh: 03/01/1989

Nơi sinh: TPHCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60520202


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 tốn 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 thơng 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 tốn phân cơng phiên làm việc
của thiết bị điện trong hộ gia đình

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 16/01/2017
IV. NGÀY HỒN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/06/2017
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:TS. Nguyễn Ngọc Tú


iii

Tp.HCM, ngày . . . . tháng . . . . năm 20.…

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA………
(Họ tên và chữ ký)


i

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt q trình học tập và hồn 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 lịng 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, tơi xin cảm ơn tất cả quý thầy cô trường Đại Học Bách Khoa nói chung
và q thầy cơ khoa Điện - Điện tử và bộ mơn 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.
Tơi xin cảm ơn tất cả bạn bè, đồng nghiệp và đặc biệt nhóm thực hiện ở phịng 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 tơi 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 q trình học tập và hồn thành luận văn.

Tp HCM, tháng 06 năm 2017

NGUYỄN TIẾN THÀNH


ii

TĨM TẮT LUẬN VĂN
Điện năng đóng vai trị tối quan trọng trong đời sống cũng như trong
sản xuất và nền kinh tế. Trong bối cảnh hiện tượng nóng lên tồn cầu cũng
như giá và chi phí sản xuất năng lượng thiếu ổn định do sự phụ thuộc vào các
nguồn nhiên liệu hố thạch, địi 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 khn 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.



iii

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.


iv

MỤC LỤC
TĨM 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
thơng 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. Mơ hình hóa bài tốn 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 . Mơ hình hóa bài tốn và giải pháp thuật tốn: ................................................... 30
3.2.1 Mơ hình hóa tốn học: .................................................................................... 30
3.2.2. Thuật tốn giải quyết vấn đề: ........................................................................ 31


v

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 thơng giữa S7-1200 và PM1200. ....... 48
4.2. Mơ hình thiết kế quản lí và giám sát năng lượng ................................................ 49
4.3. Khối lập trình MODBUS để truyền thơng 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


vi

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 CƠNG MƠ HÌNH ĐO LƯỜNG, ĐIỀU
KHIỂN ĐỘNG CƠ BA PHA KHÔNG ĐỒNG BỘ ........................................... 78
5.1. Mơ tả về hướng thực hiện mơ hình ...................................................................... 78
5.2. Giới thiệu các thiết bị trong mơ 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 khơng 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


vii

DANH MỤC HÌNH MINH HỌA

Hình 1.1:Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua sóng vơ 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: Mơ hình OSI cho giao thức truyền thơng ....................................................... 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 đơi ................................................................................................. 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 mơ 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 tốn 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 tốn .............................................................................. 39
Hình 3.6 Code để thực hiện cơng 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: Mơ 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 cơng cụ Scheduler task ......................................................... 68
Hình 4.20 Khởi tạo task mới ......................................................................................... 69


viii

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 Mơ 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 khơng 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 thơng 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 dịng.......................................................................... 89
Hình 5.15 Giao diện Data Memo .................................................................................. 90
Hình 5.16 Đồ thị năng lượng ........................................................................................ 90


ix

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


1

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 cơng 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 lị hơi cơng 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
sốt 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 khơng thể
kiểm sốt được mức tiêu thụ điện năng của các hộ tiêu thụ, khơng kiểm sốt được


2

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 tơi 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, cơng 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 cơng 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 cơng
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 ngun nhân gây ra khoảng 45% cacbon
điơxit thốt ra từ việc đốt cháy các năng lượng hóa thạch và khoảng 70% sunfur
điơxit thốt ra từ các nguồn cố định. Thơng qua Quản lý năng lượng có thể giảm


3


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 q trình thu thập dữ liệu bằng tay, tăng độ chính xác
trong do lường.
Kiểm sốt 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.



4

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 vơ 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 vơ tuyến RF bao gồm các khối
chức năng sau:
- Cơng tơ điện tử có tích hợp tính năng thu phát tín hiệu vơ 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 vơ tuyến RF bên trong, với


5

chương trình thu thập số liệu do Cơng 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:
 Khơng phụ thuộc vào khoảng cách, khơng phụ thuộc vào vị trí điểm đầu,
điểm cuối khi có sự thay đổi về vị trí lắp đặt cơng tơ, hay vị trí trung tâm thì khơng
bị thay đổi về thiết bị.
 Thiết bị modem gọn nhẹ, thông dụng, dễ dàng lắp kèm với cơng 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
thơng 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]


6

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 cịn 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 q 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 thơng theo mơ 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 thơng 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 cơng trình đặc thù.


7

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 thơng 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 mơ phỏng q 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 thơng 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.


8

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. 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 cơng 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 tn theo một mơ hình giao thức nhất định. Đó là mơ hình
OSI ( Open System Interconnect).
Mơ hình OSI quy định trình tự để truyền một đoạn giữa 2 thiết bị.


9

Hình 2.1: Mơ hình OSI cho giao thức truyền thơng
Đoạn tin được truyền sẽ đi qua 7 lớp từ máy gửi đi đưa đến bus truyền thơng
sau đó đoạn tin sẽ được nhận từ máy tương ứng. Các lớp trong mơ 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. Ngồi
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 cơng 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,



10

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 thơng, tỏng đó có cơng kết nối dây xoắn, khơng 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 thơng số quan trọng của RS-485
Thơng số

Điều kiện

Điện áp đầu ra hở mạch
Dịng ra ngắn mạch

Rload =54Ω

Min
±1,5V


±6V

±1,5V

±5V

Dòng ra ngắn mạch
Thời gian quá độ đầu ra
Điện áp chế độ chung
đầu ra Voc
Độ nhảy cảm đầu vào
Điện áp chế độ chung
Vcm
Trở kháng đầu vào

Max

±250mA
Rload =54 Ω

30%Ta

Cload=54pF
Rload=54 Ω

-1V

3V


-7V
±200mV
-7V

12V
12k Ω


11

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 thơng vì các trạm trở kháng lớn sẽ hoạt động chậm hơn.


12

Hình 2.3: 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 thơng
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.