Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa

TĨM TẮT
Năng lượng là yếu tố vơ cùng quan trọng đời sống và càng quan trọng hơn
trong quá trình sản xuất và kinh doanh của doanh nghiệp. Bài toán đặt ra cho các
nhà quản lý là làm sao quản lý tịa nhà và nhà máy, xí nghiệp hiệu quả nhất để giảm
chi phí, tiết kiệm năng lượng ở mức tối đa, tạo thuận lợi cho doanh nghiệp trong
những hoạt động kinh doanh. Việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả không
đồng nghĩa với việc cắt giảm năng lượng dù bị thiếu hụt hoặc chúng ta không sử
dụng năng lượng mà phải hiểu đúng rằng sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả
là việc áp dụng các biện pháp quản lý và kỹ thuật nhằm giảm tổn thất, giảm mức
tiêu thụ năng lượng của phương tiện, thiết bị mà vẫn đảm bảo nhu cầu, mục tiêu đặt
ra đối với quá trình sản xuất và đời sống. Phương án tối ưu hiện nay là thiết lập hệ
thống tự động hóa giám sát và quản lý năng lượng.
Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng sẽ giám sát toàn bộ hệ thống năng
lượng của tòa nhà, nhà máy hay khu cơng nghiệp giúp nâng cao hiệu quả cơng trình,
hiện đại hoá, tiết kiệm điện năng tiêu thụ, bảo vệ môi trường.
Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng thực hiện việc giám sát hệ thống
điện qua thiết bị theo dõi các thơng số kỹ thuật chính của nguồn điện như: kW, kVA,
kVAr... Hệ thống năng lượng hóa thạch như xăng, dầu, gas….Đây là những thông
số cần được giám sát chặt chẽ vì có ảnh hưởng rất lớn tới việc vận hành tất cả thiết
bị sử dụng điện của tịa nhà hay cơng nghiệp. Quản lý tốt các tham số này đồng
nghĩa với việc giảm chi phí vận hành của tòa nhà, hệ thống sản xuất nâng cao hiệu
quả sử dụng thiết bị. Các tham số đều được đo bằng bộ đo đếm năng lượng kỹ thuật
số nối mạng, thể hiện thơng số trên màn hình máy tính và lưu trữ dữ liệu. Trong
khuôn khổ luận văn này sẽ nghiên cứu cấu trúc của một hệ thống quản lý và giám
sát năng lượng từ xa.


Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Lý do chọn đề tài

1.1

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. 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 cịn rất thấp.
Đối với nguồn năng lượng hóa thạch của nước ta đang suy giảm dần do trữ
lượng có hạn mà nhu cầu sử dụng ngày càng lớn, kèm theo đó là việc tiêu thụ năng
lượng này đang gây ra ơi nhiễm mơi 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 khơng thể
kiểm sốt được mức tiêu thụ điện năng,….
Vì vậy, để đáp ứng nhu cầu mang tính thực tiễn cao này nên em đã chọn đề tài “ Hệ
thống giám sát và quản lý năng lượng các trạm bơm”.
Các trạm bơm thủy lợi đóng vai trị rất quan trọng trong việc điều tiết lưu
lượng nước phục vụ cho sản xuất nông nghiệp. Nhiệm vụ của các trạm bơm là bơm
thoát nước từ các kênh tiêu hở, từ các hố móng của vùng ngập nước để chống ngập
úng. Vấn đề này đặc biệt cấp thiết trong mùa mưa, lũ do mực nước sông lên cao hơn
mặt ruộng trong đồng, nước thừa trong đồng không tiêu tự chảy ra sông. Các trạm
bơm cũng thực hiện việc bơm nước từ các sơng, ngịi, hồ vào các kênh tưới tiêu để
kịp thời cấp nước cho các khu vực canh tác. Theo đánh giá hiện trạng hệ thống cơng
trình thủy lợi nói chung trong đó hiện có nhiều trạm bơm tiêu khơng cịn đáp ứng
được cho việc tiêu úng do đã bị hỏng hóc, thiết bị đã cũ, lạc hậu, khơng cịn vận
hành hoặc vận hành khơng hiệu quả, cần nhiều nhân lực vận hành và tiêu tốn điện

năng rất lớn. Điều này đã gây ra thiệt hại đáng kể cho ngành nông nghiệp của Việt
Nam. Xác định đây là một trong những vấn đề quan trọng và cấp bách, thời gian
gần đây sở NN&PTNN các tỉnh, thành phố đã đầu tư rất nhiều cho việc sửa chữa,
nâng cấp và xây mới các cơng trình tiêu úng. Trạm bơm ln là trái tim của các
cơng trình thủy lợi ở đó phải đảm các yêu cầu vận hành một cách hiệu quả, tiết kiệm
điện năng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và hạn chế sự tác động của con người.
Để đạt được các mục tiêu này thì việc ứng dụng hệ thống điều khiển tự động và
giám sát năng lượng tiêu thụ cho các trạm là sự lựa chọn tất yếu.


Phạm vi nghiên cứu của đề tài

1.2

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.
-

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

-

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

-

Thiết kế giao diện SCADA để thu thập và quản lý dữ liệu.


1.3

Bài tốn cơng nghệ
Bài tốn cơng nghệ điều khiển tự động và giám sát năng lượng phải đảm bảo các yêu
cầu sau:
 Nước ngập vào đầu bể hút của các bơm 1 - N (trong bài này N = 5), các cảm biến
mức đo mực nước của từng bể phản hồi về PLC. PLC thu thập dữ liệu từ các đồng hồ
đo mức và đưa ra chương trình điều khiển máy bơm hoạt động;
 Sử dụng máy cắt/biến tần để khởi động máy bơm;
 Các đồng hồ đa chức năng đo các thông số điện, thông số nhiệt độ của từng bơm và
đồng thời phản hồi về PLC;
 PLC hiển thị lên màn hình/HMI (Human Machine Interfaces) các kết nối, tình trạng
hoạt động từng bơm, thời gian hoạt động, nhiệt độ, các thông số về điện năng để giám
sát và thu thập dữ liệu năng lượng tiêu thụ;
 Máy bơm dừng khi nhận tín hiệu Stop từ màn điều khiển hoặc bơm lỗi hoặc khi
cảm biến báo bể cạn;
 Dữ liệu được lưu trữ tại Server, dùng để trích xuất báo cáo khi cần thiết. Để đáp ứng
các yêu cầu bài toán đặt ra, trên cơ sở xây dựng bài toán điều khiển và giám sát năng
lượng cho trạm bơm, tiến hành thiết kế sơ đồ cấu trúc điều khiển, giám sát và thu thập
dữ liệu;
 Các bơm sẽ được kết nối về tủ điện điều khiển bơm, các cảm biến nhiệt độ, đồng hồ
đo điện, cảm biến mức nước kết nối về PLC và PLC kết nối với bàn điều khiển trung
tâm;
 Hệ thống bơm có thể điều khiển chạy bằng tay trên bàn điều khiển hoặc trên màn
hình giám sát và được cài đặt có thể điều khiển một cách tự động song song việc thu
thập dữ liệu năng lượng để giám sát thơng qua màn hình máy tính đặt ở phịng kỹ
thuật;

 Dữ liệu được đưa về lưu trữ tại Server, có thể xuất ra, in báo cáo về quá trình hoạt
động, sử dụng năng lượng của các bơm;
 Tồn bộ trạm bơm được tích hợp hệ thống Camera giám sát để giám sát an ninh và
vận hành tại những vị trí cần thiết.

1.4

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.

-

Một số chuẩn và giao thức truyền thơng ứng dụng trong hệ thống: trình bày
mạng trùn 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.


Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Cấu trúc truyền thông
Cấu trúc truyền thông là những quy định trong việc truyền thông tin giữa các

thiết bị trong một hệ thống công nghiệp có mối liên hệ với nhau. Các thiết bị cơ cấu
chấp hành như motor, cảm biến…nằm ở cấp thứ nhất (được gọi là cấp trường), chịu
sự điều khiển của các thiết bị cấp trên - cấp điều khiển. Các thiết bị cấp điều khiển
như: PLC, PC… chịu sự điều khiển và giám sát ở cấp cao hơn…Một hệ thống trong
công nghiệp thơng thường có 5 cấp.
Việc liên lạc và trùn tín hiệu giữa các thiết bị được thực hiện nhờ các
đường dây bus tín hiệu (bao gồm 4 loại bus: bus trường, bus hệ thống, mạng xí
nghiệp và mạng cơng ty). Để tín hiệu trùn được trên các bus thì thường có những
tiêu chuẩn để truyền, 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
trùn thông riêng đối với bus trường thông thường người ta sử dụng các giao thức:
profibus, modbus…
Tuy các giao thức truyền thơng 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 trùn một đoạn tin giữa 2 thiết bị.
 Mơ hình gồm N = 7 tầng. OSI là hệ thống mở, phải có khả năng kết nối với các hệ thống
khác nhau, tương thích với các chuẩn OSI.
 Q trình xử lý các ứng dụng được thực hiện trong các hệ thống mở, trong khi vẫn duy trì
được các hoạt động kết nối giữa các hệ thống.
 Thiết lập kênh logic nhằm mục đích thực hiện việc trao đổi thơng tin giữa các thực thể.


Hình 2.1: Mơ hình OSI cho giao thức trùn thơng.
Để liên lạc giữa cấp trường và cấp điều khiển các nhà máy thường sử dụng
giao thức mạng truyền thông Profibus hoặc Modbus.
Modbus là một protocol phổ biến bậc nhất được sử dụng hiện nay cho nhiều
mục đích. Modbus đơn giản, rẻ, phổ biến và dễ sử dụng. Được phát minh từ thế kỉ
trước (gần 30 năm trước), các nhà cung cấp thiết bị đo và thiết bị tự động hóa trong
công nghiệp tiếp tục hỗ trợ Modbus trong các sản phẩm thế hệ mới. Mặc dù các bộ

phân tích, lưu lượng kế, hay PLC đời mới có giao diện kết nối không dây, Ethernet
hay fieldbus, Modbus vẫn là protocol mà các nhà cung cấp lựa chọn cho các thiết bị
thế hệ cũ và mới.
Một ưu điểm khác của Modbus là nó có thể chạy hầu như trên tất cả các
phương tiện trùn thơng, trong đó có cởng kết nối dây xoắn, không dây, sợi quang,
Ethernet, modem điện thoại, điện thoại di động và vi sóng. Có nghĩa là, kết nối
Modbus có thể được thiết lập trong nhà máy thế hệ mới hay hiện tại khá dễ dàng.
Modbus/TCP được phát triển, cho phép giao thức Modbus có thể truyền dẫn qua
các hệ thống mạng nền TCP/IP.


2.2. Các tiêu chuẩn truyền dẫn trong công nghiệp.
2.2.1. Giới thiệu về truyền dẫn qua chuẩn RS-232
RS-232 lúc đầu được xây dựng phục vụ chủ yếu trong việc ghép nối điểmđiểm giữa hai thiết bị đầu cuối (DTE, Data Terminal Equipment), như giữa hai máy
tính PC, PLC ... giữa máy tính và máy in hoặc giữa một thiết bị đầu cuối và một
thiết bị truyền dữ liệu (DCE, Data Communication Equipment). Việc truyền dữ liệu
thực hiện nhờ 3 dây TxD, RxD và mass. Tín hiệu được so sánh với mass để phát
hiện sự sai lệch. Điều này khiến cho dữ liệu khó có thể khơi phục lại ở trạm phát.
Chế độ làm việc: chế độ làm việc của hệ thống RS-232 là hai chiều toàn
phần (full-duplex), tức là hai thiết bị tham gia cùng có thể thu và phát tín hiệu cùng
một lúc. Như vậy, việc thực hiện truyền thông cần tối thiểu 3 dây dẫn - trong đó hai
dây tín hiệu nối chéo các đầu thu phát của hai trạm và một dây đất. Với cấu hình tối
thiểu này, việc đảm bảo độ an tồn trùn dẫn tín hiệu thuộc về trách nhiệm của
phần mềm.
Ta cịn có thể ghép nối trực tiếp giữa hai thiết bị thực hiện chế độ bắt tay
(handshake mode) không thông qua modem. Qua việc sử dụng các dây dẫn DTR và
DSR, độ an toàn giao tiếp sẽ được đảm bảo. Trong trường hợp này các chân RTS và
CTS được nối ngắn mạch.

Hình 2.2: Ghép nối trực tiếp
Nhược điểm của chuẩn RS-232 là tín hiệu khơng thể trùn đi xa do việc mất
mát tín hiệu khơng thể phục hồi và việc kết nối theo chuẩn RS-232 chỉ thực hiện
giao tiếp giữa hai thiết bị nên hạn chế số lượng thiết bị có trong mạng.
Một số đặc điểm của chuẩn truyền RS-232 là khoảng cách truyền tối đa là
15m, tốc độ truyền là 20Kbps, hỗ trợ kết nối điểm – điểm trong mạng.
2.2.2. Chuẩn truyền dẫn RS-485
Đặc tính điện học: sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dây
dẫn A và B. Nhờ vậy giảm được nhiễu và cho phép tăng chiều dài dây dẫn (có thể
lên đến 1200m). Điện áp chênh lệch dương tương ứng với trạng thái logic 0 và âm
tương ứng với trạng thái logic 1. Điện áp chênh lệch ở đầu vào dây nhận có thể
xuống tới 200mV.
Bảng 1: Các thông số quan trọng của RS-485
Thông
số
Điện áp đầu ra hở mạch
Điện áp đầu ra khi có tải
Dịng ra ngắn mạch
Thời gian q độ đầu ra
Điện áp chế độ chung đầu ra
VOC
Độ nhạy cảm đầu vào
Điện áp chế độ chung VCM
Trở kháng đầu vào

Điều kiện

Min

Max

Rload =54Ω

± 1,5V
± 1,5V

Rload =54Ω
Cload =54pF
Rload =54Ω

± 6V
± 5V
± 250mA
30%Ta

-1V

3V

-7V< VCM < 12V
-7V
12kΩ

± 200mV
12V


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.

RS-485 Driver

RS-485 Receiver

Hình 2.3: Sơ đồ bộ kích thích (driver) và bộ thu (receiver) RS-485
Mặc dù phạm vi làm việc tối đa là -6V đến 6V (trong trường hợp hở mạch),
trạng thái logic của tín hiệu chỉ được định nghĩa trong khoảng từ ±1,5V đến ±5V
đối với đầu ra (bên phát) và từ ±0,2V đến ±5V đối đầu vào (bên nhận).
Số trạm tham gia: RS-485 cho phép nối mạng 32 tải đơn vị (unit load, UL),
ứng với 32 bộ thu phát hoặc nhiều hơn, tuỳ theo cách chọn tải cho mỗi thiết bị thành
viên. Thông thường mỗi bộ thu phát được thiết kế tương đương với một tải đơn vị.
Gần đây cũng có những cố gắng giảm tải xuống 1/2UL hoặc 1/4UL, tức là tăng trở
kháng đầu vào lên hai hoặc bốn lần với mục đích tăng số lượng trạm lên 64 hoặc
128. Tuy nhiên tăng số trạm theo cách này sẽ gắn với việc phải giảm tốc độ trùn
thơng vì các trạm trở kháng lớn sẽ hoạt động chậm hơn.


Hình 2.4: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485.
Giới hạn 32 tải đơn vị xuất phát từ đặc tính kỹ thuật của hệ thống trùn
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 dịng tởng 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.

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


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

Hình 2.6: Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn
Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn tối đa trong RS-485 sử dụng
đôi dây xoắn AWG24.
Tốc độ truyền tối đa phụ thuộc vào chất lượng cáp mạng, cụ thể là đơi dây
xoắn kiểu STP có khả năng chống nhiễu tốt hơn loại UPT và vì thế có thể trùn
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 ch̉n duy nhất do EIA đưa ra mà có khả năng
trùn thơng 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 phở 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 qùn 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 khơng vẽ dây nối đất song trên thực tế việc nối đất
là rất quan trọng.


Hình 2.7: Cấu hình mạng RS-485
Cáp nối: RS-485 khơng phải là một chuẩn trọn vẹn mà chỉ là một chuẩn về
đặc tính điện học, vì vậy khơng 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 phở biến nhất nhờ đặc tính chống tạp nhiễu và
xun âm.

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


Hình 2.9: Cấu hình mạng RS-485 sử dụng 4 dây
Trong trường hợp cáp truyền ngắn và tốc độ truyền thấp, ta có thể khơng cần
dùng trở đầu cuối. Tín hiệu phản xạ sẽ suy giảm và triệt tiêu sau vài lần qua lại. Tốc
độ truyền dẫn thấp có nghĩa là chu kỳ nhịp bus dài. Nếu tín hiệu phản xạ triệt tiêu
hồn tồn trước thời điểm trích mẫu ở nhịp tiếp theo (thường vào giữa chu kỳ) thì
tín hiệu mang thơng tin sẽ khơng 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
khơng có tín hiệu phản xạ và chất lượng tín hiệu mang thông tin sẽ được đảm bảo.
Nhược điểm của phương pháp này là sự tổn hao nguồn tại hai điện trở.

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


Bảng 2: Thông số của các phương pháp
Phương pháp
Tốc độ
Chất lượng
Tởn
hao
nguồn

Khơng
chặn
Thấp

Song
song
Cao

Kém
Thấp

Tốt

Cao

RC
Trung
bình
Hạn chế
Thấp

Tin
cậy
Cao
Tốt
Cao

Phương pháp thứ hai được gọi là chặn RC, sử dụng kết hợp một tụ C mắc nối
tiếp với điện trở R. Mạch RC này cho phép khắc phục nhược điểm của cách sử dụng
một điện trở thuần nêu trên. Trong lúc tín hiệu ở giai đoạn quá độ, tụ C có tác dụng
ngắn mạch và trở R có tác dụng chặn đầu cuối. Khi tụ C đảo chiều sẽ cản trở dịng
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 dịng 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 thốt cho nhiễu chế độ chung và các dịng khác, ví dụ
dịng đầu vào bộ thu. Một sai lầm thường gặp là chỉ dùng hai dây để nối hai trạm.
Trong trường hợp này dịng 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 thốt trở kháng nhỏ tại một vị

trí xác định, nhờ vậy giảm thiểu tác hại gây nhiễu. Hơn thế nữa với cấu hình trở đầu
cuối tin cậy, việc nối đất tạo thiên áp sẽ giữ một mức điện áp tối thiểu giữa hai dây
A và B trong trường hợp kể cả bus rỗi hoăc có sự cố.
2.3. Giao thức truyền thông
Giao thức truyền thông là một yếu tố quan trọng trong cấu hình của mạng
PLC vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến dữ liệu được truyền từ điểm này đến điểm khác
và bởi vì các bộ điều khiển phân tán có thể phải lấy dữ liệu của nhau.


2.3.1. Giao thức truyền thơng 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
ch̉n hóa việc trùn thơng tin gói trong mạng cục bộ. Giao thức Ethernet được
xếp vào lớp thứ hai trong mơ 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 thơng dụng, tuy nhiên để đảm bảo tính bảo

mật và an tồn 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 thơng 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 khơng 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 phịng.
- Thực hiện truyền thông gần như là không giới hạn do có thể áp dụng cơng
nghệ chuyển mạch.
- Kết nối mạng của nhiều khu vực khác nhau, ví dụ như mạng văn phịng và
mạng khu vực sản xuất.
- Trùn thơng diện rộng thông qua kết nối mạng diện rộng (WAN).
- Dễ dàng kết nối các trạm di động vào mạng WLAN.


- An tồn đầu tư nhờ tính đảm bảo tương thích liên tục trong q trình phát
triển.
- Giám sát các thiết bị mạng liên tục với khái niệm tín hiệu đơn giản và hiệu
quả.
- Trong mạng Ethernet cơng nghiệp có thể thực hiện việc đồng bộ hố thời
gian cho tồn 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. Cởng 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 trùn thơng giữa master-slave/client-server giữa các thiết
bị thơng 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 mơ hình OSI. Lớp thứ 7 (lớp ứng dụng) giúp hỗ trợ phương thức
truyền thông server/client giữa các thiết bị kết nối trên bus hoặc trên mạng không
dây.
Lớp thứ 2 và thứ 1 quy định hình thức truyền dữ liệu theo kiểu nối tiếp và
chuẩn vật lý EIA/TIA-485.


Hình 2.11: Giao thức Modbus tương ứng với lớp 7 của mơ 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 cịn 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


trùn thơng, trong đó có cởng 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 thơng điệp Modbus do đó chủ sẽ biết rằng thơng
điệp đã được nhận.
Bảng 3. Các mã chức năng
Yêu
Mã chức năng
cầu
01
Đọc cuộn cảm
02
Đọc đầu ra rời rạc
03
Đọc bộ ghi phần
04
Đọc bô ghi đầu vào
05
Viết cuộn cảm đơn
06
Viết bộ ghi đơn
07
Đọc trạng thái ngoại lệ
08

Chuẩn đoán
...
xx
255 mã chức năng, phụ thuộc vào thiết bị
Mã chức năng xác định yêu cầu thiết bị tớ thực hiện hoạt động như đọc dữ liệu,
chấp nhận dữ liệu, thông báo trạng thái vv.
Mã chức năng là từ 1 .. 255. Một số mã chức năng còn có các mã chức năng
phụ.


Dữ liệu xác định địa chỉ trong bộ nhớ thiết bị hay chứa các giá trị dữ liệu được
viết trong bộ nhớ thiết bị, hay chứa các thông tin cần thiết khác mang chức năng
như yêu cầu.
Kiểm tra lỗi là một giá trị bằng số 16 bit biểu diễn kiểm tra dự phịng tuần hồn
(CRC). CRC được thiết bị chủ tạo ra và thiết bị tiếp nhận kiểm tra. Nếu giá trị CRC
khơng thỏa mãn, thiết bị địi hỏi trùn lại thông điệp này.
Khi thiết bị tớ thực hiện các chức năng theo u cầu, nó sẽ gửi thơng 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 q trình. Thơng 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 q 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 (nởi) IEEE
32 bit. Bộ ghi Holding cũng sử dụng các bộ ghi bên trong 16 bit hỗ trợ điểm
floating.