nghiên cứu, sử dụng công nghệ plc để thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện ứng dụng tại trường cao đẳng nghề cơ điện và xây dựng bắc ninh

i

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP




LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH :
K
K
Ĩ
Ĩ


T
T
H
H
U
U
Ậ
Ậ
T
T

Đ
Đ
I
I
Ệ
Ệ
N
N


T
T
Ử
Ử





T
T
Ê
Ê
N
N


Đ
Đ
Ề

Ề


T
T
À
À
I
I
:
:




NGHIÊN CỨU, SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ PLC
ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỂU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN
ỨNG DỤNG TẠI TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ
CƠ ĐIỆN VÀ XÂY DỰNG BẮC NINH








C
C
H

H
U
U
Y
Y
Ê
Ê
N
N


N
N
G
G
À
À
N
N
H
H






:
:

K
K
Ĩ
Ĩ


T
T
H
H
U
U
Ậ
Ậ
T
T


Đ
Đ
I
I
Ệ
Ệ
N
N


T

T
Ử
Ử


H
H
Ọ
Ọ
C
C


V
V
I
I
Ê
Ê
N
N

:
:


H
H
O

O
À
À
N
N
G
G


T
T
H
H
U
U


H
H
À
À


L
L
Ớ
Ớ
P
P

:
:


K

K
T
T
Đ
Đ
T
T
-
-
K
K
1
1
3
3










ii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Hoàng Thu Hà
Học viên lớp: Cao học khoá 13 - Kỹ thuật điện tử -
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên
Xin cam đoan đề tài: “Nghiên cứu, sử dụng công nghệ PLC để thiết kế bộ điều
khiển thiết bị điện ứng dụng tại trƣờng CĐN cơ điện và xây dựng Bắc Ninh”
được sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Thanh Hà là công trình nghiên cứu của
riêng tôi. Tất cả số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực, đúng như
trong đề cương và chưa từng được ai công bố. Các tài liệu tham khảo đều có
nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 11 năm 2012
Học viên



Hoàng Thu Hà

iii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên






LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp, tôi đã nhận được
sự giúp đỡ tận tình của các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn Điện tử viễn thông -
Khoa Điện tử - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Tôi
xin bày tỏ lòng biết ơn đến với các thầy giáo, cô giáo trong khoa và khoa Sau đại
học vì sự giúp đỡ tận tình này. Tôi đặc biệt cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Nguyễn
Thanh Hà đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong thời gian thực hiện đề tài này.
Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ, động viên của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp trong suốt
thời gian qua.
Mặc dù đã cố gắng , song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của
bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong
nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Tác giả luận văn



Hoàng Thu Hà
iv

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


MỤC LỤC

Nội dung
Trang
Lời cam đoan…………………………………………………………
i
Lời cảm ơn…………………………………………………………….
ii
Mục lục………………………………………………………………
iii
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt…………………………………
viii
Danh mục các bảng biểu………………………………………………
xi
Danh mục các hình vẽ………………………………………………
xii
Lời nói đầu…………………………………………………………….
xvi

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PLC
1.1 Lịch sử phát triển công nghệ PLC 1
1.1.1 Khái niệm PLC. 1
1.1.2. Một số thành tựu đạt được của PLC 5
1.1.3. Phân loại công nghệ 6
1.1.3.1. Phân loại theo mức điện áp 6

1.1.3.2. Phân loại theo tốc độ bít 7
1.1.3.3. Phân loai theo phạm vi 7
1.1.3.4. Phân loại theo phương thức điều chế 8
1.2. Nguyên lý cơ bản và sơ đồ khối của hệ thống truyền thông tin trên đường cáp
điện lực 9
1.2.1. Nguyên lý cơ bản của hệ thống 9
1.2.2. Sơ đồ khối của hệ thống. 10
1.2.2.1. Khối cách ly (Power Line Isolation) 10
1.2.2.2. Khối điều chế tín hiệu (Signal Modulation) 11
1.2.2.3 . Khuếch đại của bộ phát và bộ thu (Signal Amplification) 11
1.2.2.4. Khối giải điều chế tín hiệu (Signal Demodulation) 11
v

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


1.3. Các giao thức truyền thông qua đường dây điện lực 11
1.3.1. X10 12
1.3.2.Lonwork 13
1.3.3. CEBus 14
1.3.4. HomePlug 16
1.4. Một số ứng dụng thực tiễn của PLC 17
1.4.1. Ứng dụng trong các hệ thống quản lý, giám sát lưới điện và công tơ. 18
1.4.2. Truyền thông đường dài tốc độ cao 18
1.4.3. Mạng truy cập Internet sử dụng công nghệ PLC 19
1.4.4. Ứng dụng trong gia đình – Intelligent home 19
1.5. Kết luận chương 20

Chương 2
MỘT SỐ KỸ THUẬT TRIỂN KHAI TRÊN HỆ THỐNG PLC

2.1. Đặc tính kênh truyền đường cáp điện 24
2.1.1. Sự giới hạn băng thông 25
2.1.2. Nhiễu trên đường cáp điện 26
2.1.2.1. Nhiễu tần số 50Hz. 27
2.1.2.2. Nhiễu xung đột biến. 27
2.1.2.3. Nhiễu xung tuần hoàn 27
2.1.2.4. Nhiễu xung kéo dài 28
2.1.2.5. Nhiễu chu kỳ không đồng bộ 29
2.1.2.6. Nhiễu sóng radio 29
2.1.2.7. Nhiễu nền 29
2.1.3. Trở kháng đường truyền và sự phối hợp trở kháng…………………….29
2.1.4. Suy hao trên lưới điện 30
2.1.5. Hiện tượng sóng dừng 31
vi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


2.1.6 Sự phát xạ sóng điện từ và khả năng gây nhiễu 32
2.2. Ghép nối với lưới điện – xử lý tín hiệu 33
2.2.1. Mạch ghép tín hiệu 33
2.2.1.1. Mạch ghép dung kháng C 34
2.2.1.2 Mạch ghép kết hợp cảm kháng và dung kháng L-C 36
2.2.1.3. Mạch phối ghép R-L-C phức tạp 37
2.2.2. Các bộ lọc tương tự 37
2.2.2.1. Mạch lọc RC 37
2.2.2.2. Mạch lọc LC 38
2.2.2.3 Các mạch lọc bậc cao khác 39
2.3. Các phương thức mã hóa 40

2.3.1 Mã xoắn 40
2.3.2. Mã Reed – Solomon 44
2.4. Các phương thức điều chế tín hiệu 48
2.4.1 Tổng quan về kỹ thuật điều chế trong viễn thông. 48
2.4.2 Điều chế dạng khoá dịch biên độ ASK. 50
2.4.3 Điều chế dạng khoá dịch tần số FSK. 51
2.4.4 Điều chế dạng khoá dịch pha PSK và khoá dịch pha vi phân DPSK 52
2.4.5 Các dạng điều chế sử dụng trong viễn thông điện lực. 53
2.4.5.1 Sử dụng điều chế để giảm xuyên nhiễu. 53
2.4.5.2 Sử dụng điều chế đế tăng tốc độ truyền dữ liệu. 55
2.5. Kỹ thuật trải phổ 56
2.5.1. Trải phổ dãy trực tiếp 57
2.5.1.1. Trải phổ dãy trực tiếp kiểu BPSK 57
2.5.1.2.Trải phổ dãy trực tiếp kiểu QPSK 61
2.5.2. Trải phổ nhảy tần FH-SS (Frequence Hopping Spread Spectrum) 63
2.6. Công nghệ OFDM 64
vii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


2.6.1. Nguyên tắc cơ bản của OFDM 65
2.6.2. Tính trực giao 66
2.6.3 Hệ thống OFDM 68
2.6.4 Chống nhiễu liên ký hiệu (ISI) bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ 70
2.7 Kết luận chương 71
Chương 3
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PLC
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN
3.1 Giới thiệu 72

3.1.1 Lịch sử trường 72
3.1.2 Cơ sở hạ tầng của trường 72
3.1.3 Thực trạng hệ thống điện của nhà trường. 73
3.1.3.1 .Các thiết bị điện: 73
3.1.3.2. Những bất cập của hệ thống điện hiện nay: 74
3.1.4. Các yêu cầu trong thiết kế 75
3.2 Modem truyền thông Philip TDA5051 76
3.2.1. Modem truyền thông trên đường dây điện 76
3.2.2. Modem truyền thông Philip TDA5051 77
3.2.3. Kết nối modem Philips TDA5051A 81
3.3. Bộ vi điều khiển PIC16F877 82
3.3.1 Giới thiệu về vi điều khiển PIC16F877 82
3.3.2 Mạch điều khiển 85
3.3.3 Giao tiếp điều khiển 87
3.3.4 Lập trình PIC16F877 88
3. 4. Mạch nạp PIC16F877 90
3.5 Sơ đồ mạch 91
3.5.1 Khối cấp nguồn 91
3.5.2. Mạch ghép 91
viii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


3.5.3. Mạch lọc 92
3.5.4. Mạch đồng bộ 93
3.5.5. Tổng hợp mạch 93
3.5.6. Bảng mạch in (PCB – Printed circuir broad) 95
3.5.7 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 97
3.6 . Các kết quả thu được 99

3.7 . Kết luận chương 100
Kết luận và kiến nghị………………………………………………………… 101
Tài liệu tham khảo…………………………………………………………… 103
Phụ lục 1……………………………………………………………………… 105
Phụ lục 2……………………………………………………………………… 111
ix

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Ký
hiệu
Tiếng Anh
Tiếng Việt
ASIC
Application Specific Intergrate Circuit
Mạch tích hợp ứng dụng đặc biệt
AM
Amplitude Modulation
Điều biên
AMR
Automated Meter Reading
Tự động đọc công tơ
AMM
Automated Meter Management
Tự động quản lý công tơ
ASK
Amplitude Shift Keying

Khóa dịch biên
BER
Bit Error Rate
Tỉ lệ lỗi bit
BPSK
Binary Phase Shift Keying
Khóa dịch pha nhị phân
BSC
Base Station Control
Điều khiển trạm gốc
BSK
Binary Shift Keying
Khoá dịch pha cơ hai
BTS
Base Transceiver Station
Trạm thu phát gốc
CDMA
Code Divission Multiplex Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
CEPT
Conference of European Posts and
Telecommunication Administrations
Hội nghị về quản lý bưu chính viễn
thông Châu Âu
CIS
Customer Information Service
Dịch vụ thông tin khách hàng
DCU
Data Concentration Unit
Đơn vị tập trung dữ liệu

DM
Delta Modulation
Điều tần
DS
Direct Sequence
Chuỗi trực tiếp
DSSS
Direct Sequence Spread Spectrum
Trải phổ dãy trực tiếp
DPSK
Differential Phase Shift Keying
Khóa dịch pha vi phân
EPRI
Electrical Power research Institution
Viện nghiên cứu điện năng
FFH
Fast Frequency Hopping
Nhảy tần nhanh.
FH
Frequency Hopping
Nhảy tần
FHSS
Frequency Hopping Spread Spectrum
Trải phổ nhảy tần
FM
Frequency Modulation
Điều tần
FSK
Frequency Shift Keying
Khóa dịch tần

FDM
Frequency Division Multiplexing
Đa truy nhập theo tần số
FPGA
Field Programmable Gate Array
Phạm vi có thể lập trình cổng mạng
GSM
Global System for Mobile
Điện thoại di động toàn cầu
x

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


communication
HCS
Host Center Station
Trạm máy chủ trung tâm
HLR
Home Local Register
Thanh ghi định vị thường trú
HPR
High Power Radio
Kênh vô tuyến công suất cao
IMEI
International Mobile Equipment
Identifier
Nhận dạng thiết bị di động quốc tế
IMSI
International Mobile Subscriber

Identifier
Nhận dạng thuê bao di động quốc
tế
ISDN
Intergrated Service Digital Network
Mạng số tổ hợp dịch vụ
ISI
Inter Symbol Interference
Nhiễu ISI
LAN
Local Area Network
Mạng khu vực
LPR
Low Power Radio
Kênh vô tuyến công suất thấp
MIU
Đơn vị giao tiếp đồng hồ
Đơn vị giao tiếp đồng hồ .
MS
Mobile Station
Máy di động
MSC
Mobile Switching Center
Trung tâm chuyển mạch di động
OFDM
Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Điều chế đa sóng mang
PC
Personal Computer

Máy tính cá nhân
PCM
Pulse Code Modulation
Điều chế xung mã
PIN
Personal Identification Number
Số nhận dạng cá nhân
PLC
Power Line Communication
Truyền thông trên đường cáp điện
PLL
Phase Locked Loop
Vòng khóa pha
PLM
Power Line Modem
Modem điện lực
PRBS
Pseudo Random Binary Sequence
Chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên
PSK
Phase Shift Keying
Khóa dịch pha
PSTN
Public Switching Telephone
Netwwork
Mạng chuyển mạch điện thoại công
cộng
QAM
Quadrature Amplitude Modulation
Điều chế biên cầu phương

Q-PSK
Quadrature Phase Shift Keying
Khoá dịch pha cầu phương
RF
Radio Frequency
Tần số vô tuyến
RMR
Remote Meter reading
Đọc công tơ từ xa
RTU
Remote Tranceiver Unit
Thiết bị phát từ xa một chiều
xi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


SF
Selective Fading
Pha định lựa chọn
Smart
IMS
Smart Integrated Metering System
Hệ thống đo lường tích hợp thông
minh
SIM
Subscriber Identifier Modul
Đơn vị nhận dạng thuê bao
SSMA
Spread Spectrum Multiple Access

Đa truy nhập trải phổ
VLR
Visitor Local Register
Thanh ghi định vị tạm trú
WLL
Wireless Local Loop
Truy nhập không dây nội hạt

xii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Quy luật về trạng thái pha của phương pháp điều chế QPSK
62
Bảng 3.1 Mô tả các chân của TDA5051
79
xiii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hệ thống truyền thông tin trên đường dây điện lực
1
Hình 1.2: Truyền thông tin qua đường dây điện
4
Hình 1.3 Ghép và tách tín hiệu ra khỏi đường dây điện

9
Hình 1.4: Sơ đồ khối của hệ thống
10
Hình 1.5: X10 timing on 60Hz waveform
12
Hình 1.6: X10 packet format
13
Hình 1.7: CEBus spread spectrum chirp
15
Hình 1.8: Ứng dụng PLC trong quản lý điện
18
Hình 1.9: Mạng thông tin PLC
19
Hình 1.10: Mô hình ứng dụng PLC trong gia đình – Intelligent home
19
Hình 2.1: Phổ tần PLC của thông tin nội bộ
24
Hình 2.2: Ví dụ về sự méo tín hiệu trên lưới điện
25
Hình 2.3: Các băng tần trong tiêu chuẩn CENELEC
26
Hình 2.4: Xung nhiễu xuất hiện khi bật đèn
27
Hình 2.5: Nhiễu xung tuần hoàn
28
Hình 2.6: Nhiễu phát ra khi chạy máy hút bụi và phổ tần của nó
28
Hình 2.7: Suy hao trong gia đình tại tần số 130 KHz
31
Hình 2.8: Hiện tượng sóng dừng

31
Hình 2.9: Mạch ghép dung kháng
34
Hình 2.10: Mạch ghép kết hợp LC
36
Hình 2.11: Các mạch lọc RC
38
Hình 2.12: Các mạch lọc LC đơn giản
38
Hình 2.13: Các mạch cộng hưởng LC
38
xiv

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hình 2.14: Mạch lọc thông dải dùng vi mạch HA17741
39
Hình 2.15: Ví dụ bộ mã hóa mã chập tỷ lệ ½
40
Hình 2.16: Sơ đồ cây biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn ở hình 2.23
41
Hình 2.17: Sơ đồ lưới biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn ở hình 2.23
42
Hình 2.18: Sơ đồ lưới giải mã
43
Hình 2.19: Đường sống và kết quả giải mã
44
Hình 2.20: Hệ thống sử dụng mã RS
45

Hình 2.21. Bộ mã hoá Reed-Solomon
46
Hình 2.22. Các dạng tín hiệu được điều chế ASK, PSK, FSK
49
Hình 2.23. Phổ công suất tín hiệu khi điều chế số
50
Hình 2.24: Hiệu suất của một số kĩ thuật điều chế khác nhau trong việc
làm giảm nhiễu
54
Hình 2.25: Sơ đồ mô hình hệ thống thông tin trải phổ
56
Hình 2.26: Trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS
57
Hình 2.27: Sơ đồ trải phổ trực tiếp kiểu BPSK
59
Hình 2.28: Sơ đồ trải phổ trực tiếp đơn giản
59
Hình 2.29: Sơ đồ giải điều chế trải phổ dạng đơn giản
60
Hình 2.30: Trải phổ dãy trực tiếp điều chế pha 4 mức
62
Hình 2.31: Trải phổ nhảy tần FHSS
64
Hình 2.32: Sơ đồ mô hình hệ thống trải phổ nhảy tần
64
Hình 2.33: Phổ của tín hiệu FDM và OFDM
65
Hình 2.34: a. Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang
b. Tác động của nhiễu đến hệ thống đa sóng mang
66

Hình 2.35: Phổ của các sóng mang trực giao
67
Hình 2.36: Sơ đồ nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM
68
xv

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hình 2.37: Sơ đồ một hệ thống OFDM
69
Hình 2.38: Ảnh hưởng của ISI
70
Hinh 2.39: Chèn khoảng bảo vệ là khoảng trống
70
Hình 2.40: Chèn khoảng bảo vệ Cyclic prefix
71
Hình 3.1: Sơ đồ khối của TDA5051A
78
Hình 3.2. Sơ đồ chân của TDA5051A
78
Hình 3.3: Quan hệ giữa DATAIN và DATAOUT
80
Hình 3.4: Phổ tín hiệu
81
Hình 3.5: Modem điện Philips TDA5051A
82
Hình 3.6: Hình ảnh PIC16F877
83
Hình 3.7: Sơ đồ chân của PIC16F877

84
Hình 3.8: Sơ đồ mạch của khối điều khiển
86
Hình 3.9 Mạch giao tiếp điều khiển
87
Hình 3.10 Mạch giao tiếp USB
88
Hình 3.11: Sơ đồ hoạt động của vi điều khiển PIC16F877
89
Hình 3.12: Sơ đồ mạch nạp JDM
90
Hình 3.13: Sơ đồ cấp nguồn
91
Hình 3.14: Mạch ghép sử dụng biến áp
92
Hình 3.15: Mạch lọc
92
Hình 3.16: Mạch đồng bộ
93
Hình 3.17: Mạch tổng hợp
94
Hình 3.18. Mạch in Slaver
95
Hình 3.19. Mạch in Maste
95
Hình 3.20 : Mạch thực của các modul PLC
96
xvi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 3.21 Boar Master
96
Hình 3.22 Boar Slaver
97
Hình 3.23: Sơ đồ tổng quan của hệ thống PLC
98
Hình 3.24: Sơ đồ khối của hệ thống có topology (cấu trúc) hình sao.
98
xvii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


LỜI NÓI ĐẦU
Với sự phát triển của khoa học công nghệ thông tin chúng ta đang chứng
kiến sự xuất hiện hàng loạt các dịch vụ viễn thông mới đa dạng, an toàn, chất lượng
cao đáp ứng nhu cầu truyền thông cho các doanh nghiệp và người tiêu dùng. Như:
đo lường điều khiển từ xa, giám sát hoạt động hay điều khiển nhà thông minh
Cùng với sự phát triển đó, tự động hóa các hệ thống là yêu cầu cấp thiết
nhằm giải phóng sức lao động trực tiếp, nâng cao độ an toàn và tiết kiệm năng
lượng. Với sự phát triển của khoa học công nghệ, việc trang bị tự động hóa cho các
hệ thống mới khá đơn giản. Vấn đề đặt ra là phải cải tiến được (tự động hóa) cho
các hệ thống cũ đồng thời phải tận dụng được trang thiết bị sẵn có để tiết kiệm chi
phí. Cụ thể, với hệ thống điện của trường CĐN cơ điện và xây dựng BN hiện nay,
việc sử dụng điện hoàn toàn phụ thuộc vào ý thức của người sử dụng nên không
tránh khỏi lãng phí vô ích đặc biệt là khu vực giảng đường nơi dành cho HS-SV. Để
khắc phục các nhược điểm đó, đề tài này này sẽ thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện
cho từng phòng học cũng như phòng làm việc để quản lý việc sử dụng điện năng

hợp lý hơn.
Để thực hiện quá trình tự động hóa thì việc truyền thông tin là yêu cầu rất
quan trọng. Truyền thông tin đi xa có nhiều phương án như: truyền thông qua
đường dây điện thoại, qua đường dây Internet và truyền thông qua đường dây điện
lực. Trong đó Công nghệ PLC giúp giảm chi phí đầu tư do tận dụng được hệ thống
tải điện sẵn có.
Được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Thanh Hà
Cùng các thầy cô giáo trong Khoa điện tử - trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp –
Đại học Thái Nguyên, tôi xin hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học với nội dung:
“Nghiên cứu, sử dụng công nghệ PLC để thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện
ứng dụng tại trƣờng CĐN cơ điện và xây dựng Bắc Ninh “. Đề tài gồm các nội
dung chính như sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ PLC – Trình bày nguyên lý cơ bản và
sơ đồi khối của một hệ thống thông tin PLC bất kỳ; Chỉ ra các ứng dụng cơ bản của
xviii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


PLC; Phân tích rõ đặc điểm của kênh truyền điện lực với các yếu tố nhiễu và suy
hao tác động. trên cơ sở đó chỉ ra những kỹ thuật cải tiến trên PLC như phối ghép
lưới điện, mã hóa và điều chế thông tin.
Chương 2: Một số kỹ thuật triển khai trên hệ thống PLC- Phân tích các
yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống PLC; Một số kỹ thuật nhằm làm giảm ảnh hưởng
của nhiễu và suy hao tín hiệu đến chất lượng của hệ thống PLC bao gồm phối ghép
lưới điện, mã hóa, điều chế, trải phổ…
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện sử dụng công nghệ PLC –
Trên cơ sở các kiến thức có được từ chương 1 và 2 chương này ứng dụng vi điều
khiển PIC thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện thông qua đường dây điện lực.
Cuối cùng là những phân tích đánh giá nhằm rút ra kết luận và hướng phát

triển của đề tài.
Do đây là một đề tài còn mới, được hoàn thành trong một thời gian ngắn và
điều kiện tiếp cận để nghiên cứu, cùng với năng lực bản thân còn hạn chế nên có thể
chưa đề cập được hết các vấn đề liên quan đến đề tài một cách đầy đủ, sâu sắc và
cũng không thể tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình nghiên cứu, trình bày.
Kính mong các thầy, cô giáo và các bạn quan tâm đến nội dung của đề tài, góp ý
kiến để tôi có điều kiện tiếp thu và phát triển đề tài cũng như bổ xung thêm kiến
thức cho bản thân được đầy đủ, đúng đắn và để luận văn của tôi được hoàn thiện
hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 11 năm 2012
Người thực hiện


Hoàng Thu Hà


1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ (PLC)
(POWER LINE COMMUNICATION )
1.1 Lịch sử phát triển công nghệ PLC
1.1.1 Khái niệm PLC.
Power line communication –PLC là công nghệ truyền tín hiệu thông tin trên
đường dây điện lực.
Công nghệ truyền thông PLC sử dụng mạng lưới đường dây cung cấp điện

năng cho mục đích truyền tải thông tin nhằm tiết kiệm chi phí đầu tư.

Hình 1.1 Hệ thống truyền thông tin trên đường dây điện lực
Ưu điểm của công nghệ PLC.
Một ưu điểm nổi bật của PLC là tính kinh tế do việc sử dụng mạng điện lưới
sẵn. Hiện nay, tại Việt Nam nhu cầu truy cập Internet băng rộng trở nên rất bức
thiết, trong khi Internet tốc độ cao ADSL chi phí cũng không nhỏ.
Các modem PLC cho phép nhận và gửi các tín hiệu thông tin tại các ổ cắm
điện trên tường nhà. Như vậy, toàn bộ mạng điện trong tòa nhà sẽ trở thành một
2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


mạng LAN truy cập nội bộ. Cung cấp đường truyền tín hiệu băng thông rộng,
không phải đi cáp quang đến từng nhà, khai thác khả năng to lớn của mạng điện
hiện có, giải quyết vấn đề đưa đường truyền băng thông rộng đến hộ gia đình. Việc
sử dụng mạng điện hiện có sẽ cho phép phổ cập thông tin dễ dàng đến mọi vùng,
mọi nhà. Chỉ cần có một đường cáp quang nối tới trạm biến áp, cả một khu vực dân
cư lớn sẽ có khả năng truy cập Internet băng thông rộng và các dịch vụ truyền thông
khác.
Đây là một giải pháp hữu hiệu cho việc giải quyết vấn đề dịch vụ băng thông
rộng tới hộ gia đình hay bị quá tải do gộp dữ liệu nhiều đường thuê bao. Dễ dàng
cài đặt và triển khai mạng, chỉ cần nối đường cáp quang đến trạm biến áp, lắp
modem tại trạm, thiết lập hệ thống tới hộ gia đình và lắp modem PLC tại nơi truy
cập, cung cấp tốc độ truy cập dữ liệu cao (10 - 45Mbps) trong dải tần (1,7 - 30Mhz).
Ngoài ra, nó còn có tính tương thích cao với các công nghệ mạng khác.
Do đó, công nghệ PLC khắc phục được những hạn chế về cơ sở hạ tầng của
hệ thống thông tin và truyền thông ở Việt Nam, phổ cập các dịch vụ băng thông
rộng đến mọi người dân.

Quá trình phát triển của công nghệ PLC
Ra đời vào những thập niên 80 của thế kỷ 20, công nghệ truyền tín hiệu trên
đường dây điện đầu tiên được nghiên cứu và phát triển tại Mỹ với dự án mang tên
X10. Công nghệ X10 sử dụng sóng mang tần số 120Khz và điện áp tín hiệu 4V để
truyền tín hiệu điều khiển. Các sản phẩm sử dụng công nghệ X10 có ưu điểm là dễ
lắp đặt, giá thành thấp và không phải đi thêm dây điều khiển. Tuy nhiên các sản
phẩm X10 có điểm yếu là chịu tác động rất lớn của nhiễu đường truyền, tính bảo
mật của thiết bị sử dụng công nghệ X10 không cao, tốc độ truyền thấp, khả năng
bảo toàn thông tin thấp (70-80%). Từ đó đến nay công nghệ PLC không ngừng
được nghiên cứu và phát triển. Năm 2002 đánh dấu một bước ngoặt lớn của công
nghệ PLC khi chuẩn UPB & PLCBUS ra đời. Công nghệ UPB & PLCBUS sử dụng
sóng mang có dải tần từ 4-40Khz, điện áp tín hiệu 40V để truyền tín hiệu điều
khiển. Không giống như X10 sử dụng tần số sóng mang cố định 120Khz, các thiết
3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


bị sử dụng công nghệ UPB & PLCBUS sẽ chọn ra trong dải tần 4-40Khz một tần số
ít bị can nhiễu từ đường truyền nhất tại thời điểm truyền để truyền tín hiệu điều
khiển. Do đó băng thông đường truyền được mở rộng cho phép nhiều thiết bị cùng
truyền tín hiệu điều khiển cùng một lúc mà không bị ảnh hưởng lẫn nhau. Mặt khác,
với điện áp tín hiệu lên tới 40V công nghệ UPB&PLCBUS gần như hoàn toàn
không bị ảnh hưởng bởi can nhiễu lớn trên đường truyền. Hệ thống sử dụng công
nghệ UPB&PLCBUS có chung đặc điểm: tốc độ truyền cao, dễ lắp đặt, không cần
đi dây điều khiển, dễ thêm mới thiết bị, không cần bộ lọc, không cần tách riêng
đường cấp nguồn, khả năng bảo toàn thông tin cao (99,98%) tương đương với các
thiết bị sử dụng công nghệ IBUS như EIB, Cbus. Các thiết bị UPB&PLCBUS; được
xây dựng với ID CODE và LINK PASSWORD ngăn chặn việc điều khiển thiết bị
từ các hệ thống không được phép hoặc từ hệ thống khác ở các khu vực lân cận. Với

ID CODE và LINK PASSWORD của công nghệ UPB&PLCBUS. Nhược điểm của
công nghệ UPB&PLCBUS là khó cài đặt hơn so với thiết bị X10 do phải cài ID
CODE và LINK PASSWORD cho từng thiết bị.
Để có thể truyền thông tin qua phương tiện truyền dẫn là đường dây dẫn
điện, cần phải có các thiết bị đầu cuối là PLC modem, các modem này có chức năng
biến đổi tín hiệu từ các thiết bị viễn thông truyền thống như máy tính, điện thoại
sang một định dạng phù hợp để truyền qua đường dây dẫn điện. Quá trình truyền
thông tin qua đường dây điện lực được mô tả như hình 1.2
4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Hình 1.2: Truyền thông tin qua đường dây điện

Với quá trình truyền thông tin như vậy, những ai cần sử dụng các dịch vụ viễn
thông như trên có thể dùng tất cả các dịch vụ thông qua một ổ điện mà không cần
lắp đặt cáp mới. Công nghệ này tuy còn mới mẻ với khách hàng nhưng thực ra đã
được sử dụng từ đầu thế kỷ 20, cho các mục đích truyền thông tin của nội bộ ngành
Điện. Ví dụ như hệ thống CFS (Carrier Frequency System), sử dụng các máy phát
10W để truyền thông tin bảo vệ, đo đạc trên đường dây cao thế với khoảng cách lên
tới 500km hay hệ thống RCS (Ripple Carrier Signalling) sử dụng trong quản lý tải
của hệ thống truyền tải điện hạ thế và trung thế. Hay hiện nay, công nghệ PLC được
sử dụng cho các ứng dụng trong nhà như hệ thống giám sát, cảnh báo, tự động hoá
Ý tưởng truyền tín hiệu thông tin trên đường dây tải điện đã được sử dụng từ
lâu bằng cách sử dụng phương thức điều chế bật tắt sóng mang tin (turn on – turn
off carrier). Giống như các công ty điện lực trên thế giới, từ lâu Tổng công ty Điện
lực Việt Nam đã sử dụng kỹ thuật này để truyền tải các thông tin phục vụ ngành
điện, nhưng với cách này tốc độ truyền tin rất thấp. Ngày nay với sự phát triển

nhanh chóng của công nghệ, đặc biệt là công nghệ sản xuất vi mạch tích hợp giá rẻ
cho từng ứng dụng đặc biệt – ASIC (Application Specific Integrated Circuit) đã cho
5

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


phép PLC có những bước phát triển nhảy vọt và trở thành một trong những công
nghệ truy cập băng rộng và tốc độ cao đầy hứa hẹn.

1.1.2. Một số thành tựu đạt được của PLC
Ý tưởng về việc gửi tín hiệu thông tin trên cùng một cặp dây được sử dụng
phân phối điện cũng bắt nguồn từ xa xưa như điện báo, tuy nhiên số lượng thiết bị
truyền thông được cài đặt trên hệ thống dây dành riêng vượt xa số lượng cài đặt trên
dây điện nguồn AC mà không có bất cứ lý do nào. Cho đến mấy thập kỷ gần đây
con người thể nghĩ đến sự lãng phí của việc có bỏ qua khả năng giao tiếp của nguồn
điện AC. Trong năm 1920 có ít nhất hai bằng sáng chế được cấp cho công ty điện
báo điện thoại của Mỹ AT&T trong lĩnh vực của "Truyền tín hiệu qua các mạch
cung cấp”. Bằng sáng chế Hoa Kỳ số 1.607.668 và 1.672.940, nộp trong năm 1924
đã đưa ra hệ thống truyền và nhận tín hiệu truyền thông qua Dòng điện xoay chiều
ba pha. Cho đến thời điểm hiện tại, có thể kể đến một số thành tựu của PLC như
sau:
Công nghệ PLC băng thông rất thấp (lên đến 25 bps)
- Turtle ® (Tryền dẫn băng siêu hẹp) Thương hiệu thuộc sở hữu của mạng truyền
thông Turtle của Mỹ.
- PFPM (Điều pha tần số công suất).
- Ripple Control (Điều tần qua đường điện).
Băng thông trung bình baud: (lên đến 9.600 bps)
- Echonet
- Archnet

- Công nghệ bán dẫn, Australia.
- National Semiconductor. (LM1893 / LM 2893)
- Itran
Băng thông (Hơn 9.600, chủ yếu sử dụng cho IT)
- Inari (Dựa tren chipset IPL0202) 2 MBps.
- Altcom (dựa trên chipset AN1000) 115kbps
6

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


- Intellon (INT51X1 Chipset) 14 MBps.
- Texas Instruments. (Dựa trên DSP đạt 200Mbps)
Tất cả các công nghệ được liệt kê ở trên vẫn còn trong giai đoạn "thử
nghiệm". Sẽ mất một thời gian cho các công nghệ này sẽ được đóng gói thành sản
phẩm cuối cùng và chứng minh cho sự hứa hẹn về băng thông.

1.1.3. Phân loại công nghệ
1.1.3.1. Phân loại theo mức điện áp
- Mức điện áp cao (110-500kV): kết nối các nhà máy điện với các khách hàng
lớn, các khu vực tiêu thụ điện năng với đường truyền tải dài từ vài chục kilomet đến
vài trăm kilomet.
- Mức điện áp trung bình (10-30KV): Cung cấp cho các khu dân cư rộng, các
khu công nghiệp, khu đô thị, khoảng cách truyền tải ngắn hơn từ vài kilomet đến vài
chục kilomet.
- Mức điện áp thấp (110V-380V): Cung cấp điện năng cho các khách hàng là
các hộ gia đình, cơ quan, trường học…với khoảng cách truyền tải ngắn từ vài trăm
mét đến vài kilomet. Hệ thống lưới điện hạ thế kết nối đến tất cả các khách hàng, do
vậy ứng dụng của công nghệ PLC cho mạng truy nhập sử dụng mạng hạ thế có tiềm
năng rất lớn.

Vì thực tế truyền dẫn tín hiệu trên lưới điện thế thấp thực hiện trực tiếp trên
mạng mà phần lớn các thiết bị điện vận hành, tạp âm và méo trên những mạng này
rất cao. Mặt khác các đặc tính vật lý trên mạng này thay đổi theo mỗi tải được bật
hay tắt, vì vậy mỗi công nghệ PLC lưới điện hạ thế cần có giải pháp khắc phục
những vấn đề vật lý như vậy.

1.1.3.2. Phân loại theo tốc độ bít
- PLC băng hẹp – tốc độ bít thấp: Ứng dụng PLC đầu tiên được dùng cho
phạm vi tự động trong lĩnh vực cung cấp điện năng. Phạm vi này chỉ yêu cầu tốc độ
7

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


bít thấp. Vì lý do đó và vì lý do quy định, người ta đã xác định giải tần có thể dùng
cho yêu cầu tự động trong nhà và trong lĩnh vực cung cấp điện năng. Dải tần đó
nằm trong khoảng từ 3KHz đến 148.5KHz (Tiêu chuẩn CENELEC – châu Âu) hoặc
từ 3KHz đến 450KHz (Tiêu chuẩn ở Mỹ và Nhật).
- PLC băng rộng – tốc độ cao: Vì giải tần được quy định bời CENELEC chỉ
cho phép truyền dẫn ở tốc độ tương đối thấp, các nghiên cứu cho giải tần cao đang
được thực hiện. Vấn đề chính của dải tần này là tín hiệu tần số cao đặt trên dây dẫn
sẽ suy hao lớn. Dải tần MHz cũng xung đột với tần số dùng cho các dịch vụ khác
chẳng hạn như an ninh, điều khiển không lưu, cac dịch vụ phát thanh quảng bá, dịch
vụ quảng cáo khác… Đó là lý do tại sao cần phải đề ra các quy định thống nhất.
Hiện nay dải tần từ 1 – 10 MHz được dùng cho các úng dụng ngoài nhà (Outdoor),
còn dải tần từ 10 – 30 MHz dành cho các ứng dụng trong nhà (Inhouse).

1.1.3.3. Phân loai theo phạm vi
- PLC trong nhà (In – House PLC): Hệ thống PLC trong nhà dùng các cáp
điện trong nhà để truyền dẫn giữa các thiết bị PLC khác nhau trong nhà. Hệ thống

trong nhà có thể hoạt động như mạng riêng mà không có bất kỳ một kết nối ra bên
ngoài.
- “Last mile” PLC: Là mạng truy nhập nội hạt cho phép kết nối giữa mạng
trục truyền thoại và số liệu và điểm cung cấp cho từng khách hàng thông qua các
điểm kết nối đến nhà khách hàng. Trong nhiều trường hợp trạm hạ áp sẽ được dùng
như điểm kết nối mạng trục và mạng điện hạ thế sẽ được dùng để kết nối đến nhà
khách hàng. Điểm kết nối mạng trục cũng có thể được tổ chức ở trạm biến áp trung
thế hoặc ở những điểm thích hợp khác.
Tại Châu Âu, ETSI đã xác định kế hoạch phân bố băng tần từ 1,6 Mhz đến 10
Mhz được ấn định dành riêng (hoặc ưu tiên) cho truy nhập nội hạt, dải tần từ 10
Mhz đến 30 Mhz được ưu tiên dành cho ứng dụng mạng gia đình (in-house).