Thiết kế và xây dựng bộ điều khiển điểm sáng trong hệ thống chiếu sáng đô thị

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3
1.1 Khái niệm cơ bản chiếu sáng đô thị 3
1.2 Các loại nguồn sáng nhân tạo thông dụng[] 4
1.2.1 Bóng đèn nung sáng: (Đèn sợi đốt) 4
1.2.2 Bóng đèn huỳnh quang 4
1.2.3 Bóng đèn phóng điện cuờng độ cao (HID) 5
1.2.4 Đèn phát sáng quang điện (LED: Lighting Emitting Diode) 6
1.2.5 Đèn Sulfua 6
1.3 Cấu tạo và các thông số của bộ đèn, thành phần chính của điểm sáng 6
1.3.1 Cấu tạo của bộ đèn chiếu sáng công cộng 6
1.4 Điểm sáng trong hệ thống chiếu sáng công cộng 8
1.4.1 Khái niệm: 8
1.4.2 Các thông số cần có cho một điểm sáng 9
1.5 Tủ điều khiển chiếu sáng 9
CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ PLC CỦA ECHELON VÀ ỨNG DỤNG TRONG
ĐIỂU KHIỂN ĐIỂM SÁNG THEO CHUẨN LONWORKS 11
2.1 Chuẩn Lonworks 11
2.1.1 Giới thiệu 11
2.1.2 Chuẩn mạng Lonworks 12
2.2 Công nghệ PLC của Echelon 14
2.2.1 Giới thiệu: 14
2.2.2 Hệ thống truyền thông tin trên đường dây điện lực: 15
2.2.3 Đặc tính kênh truyền PLC 16
2.3 Tìm hiểu chip PL3120 và mô hình quản lý mạng PLC theo chuẩn Lonworks 16
2.3.1 Chip PL3120 16
2.3.2 Neuron C 20
2.3.3 Mô hình quản lý biến mạng 22

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐẾN TỪNG ĐIỂM SÁNG
TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG ĐÔ THỊ 25
3.1 Hạn chế của mô hình giám sát và điều khiển ở cấp tủ khu vực 25
3.1.1 Mô hình chung 25
3.1.2 Điều khiển tiết giảm 25
3.1.3 Giám sát, cảnh báo 27
3.2 Mô hình ứng dụng mạng GSM/GPRS trong điều khiển và giám sát hệ thống chiếu
sáng ở thành phố Hà nội. 28
3.2.1 Mô hình hệ thống 28
3.2.2 Phần mềm ứng dụng 29
3.2.3 Ưu và nhược điểm của hệ thống 29


3.3 Mô hình “đề suất” để giám sát và điều khiển đến từng điểm sáng trong hệ thống
chiếu sáng đô thị 29
3.3.1 Mô hình giám sát và điều khiển đến từng điểm sáng ứng dụng công nghệ
không dây (Wireless). 30
3.3.2 Mô hình giám sát và điều khiển đến từng điểm sáng ứng dụng công nghệ
truyền thông qua đường điện lưới (PLC) 31
3.3.3 Các phương pháp tiết giảm công suất có thể sử dụng khi điều khiển đến từng
điểm sáng. 33
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIÊN ĐIỂM SÁNG TRONG HỆ THỐNG
CHIẾU SÁNG ĐÔ THỊ 36
4.1 Các chức năng của bộ điều khiển điểm sáng 36
4.2 Các đặc điểm chính của bộ điều khiển điểm sáng. 36
4.3 Sơ đồ khối của bộ điều khiển điểm sáng 38
4.3.1 Các phần tử trong một bộ điều khiển điểm sáng. 39
4.4 Sơ đồ nguyên lý mạch bộ điều khiển điểm sáng. 40
4.4.1 Khối nguồn nuôi cho mạch 42
4.4.2 Khối chấp hành: Điều khiển các khởi động từ và rơ le ngoài 42

4.4.3 Khối thời gian thực 43
4.4.4 Khối Transducer 43
4.4.5 Khối điều khiển tiết giảm công suất bằng Triac 49
4.4.6 Khối vi điều khiển PL3120 Smart-transceiver 53
4.4.7 Mạch in của bộ điệu khiển điểm sáng 60
4.5 Phần mếm nhúng trong vi điều khiển truyền thông PL3120 62
4.5.1 Bù offset cho các kênh dòng và áp của ADE7753 63
4.5.2 Căn chỉnh các khối đo cho ADE7753 64
4.5.3 Lưu đồ chương trinh chính: 67
4.5.4 Truyền thông giữa điểm sáng tới Trung tâm điều khiển. 74
4.6 Kết quả 77
4.6.1 Tìm hiểu, khảo sát 77
4.6.2 Thực nghiệm 77
KẾT LUẬN 84



Mục lục hình ảnh
Hình 1: Chiếu sáng trên đường cao tốc. 3
Hình 2: Hệ thống chiếu sáng xung quanh hồ Gươm, Hà nội. 3
Hình 3: Cấu tạo và giản đồ năng lượng của đèn sợi đốt 4
Hình 4: Bóng đèn sợi đốt dùng khí halogen 4
Hình 5: Cấu tạo bóng đèn huỳnh quang 5
Hình 6: Sơ đồ đấu dây và giản đồ năng lượng của bóng đèn huỳnh quang 5
Hình 7: Cấu tạo bộ đèn chiếu sáng công cộng 7
Hình 8: Các loại tấm phản quang 7
Hình 9: Thiết bị mồi đèn 8
Hình 10: Điểm sáng tháp Rùa, hồ Gươm bao gồm một cụm đèn LED RGB. 9
Hình 11: Điểm sáng hầm cầu vượt Kim Liên, gồm dải đèn cao áp. 9
Hình 12: Các lĩnh vực ứng dụng mạng Lonworks. 12

Hình 13: Kiến trúc hệ thống mạng mở của Lonworks 12
Hình 14: Hệ thống truyền thông tin trên đường dây điện lực 14
Hình 15: Hệ thống đo lường, giám sát, điều khiển trên đường dây điện lực 15
Hình 16: Mô hình hệ thống truyền thông tin số trên đường dây điện lực 15
Hình 17: Sơ đồ khối Smart Transceiver 17
Hình 18: Bộ xử lý của Neuron Chip, hay Smart Transceiver 17
Hình 19: Sơ đồ khối 3120 Smart Transceiver 18
Hình 20: Mạng điều khiển trên đường dây điện 19
Hình 21: Tần số sóng mang 19
Hình 22: Trình biên dịch Neuron C trong bộ kit Mini EVK của hãng echelon 21
Hình 23: Mô hình quản lý mạng 23
Hình 24: Mô hình quản lý mạng tự trị 24
Hình 25: mô hình hệ thống chiếu sáng ở cấp tủ khu vực 25
Hình 26: Tiết giảm tại tủ khu vực bằng cách cắt pha 26
Hình 27: Tiết giảm tại tủ khu vực bằng biến áp tự ngẫu điện áp ra thay đổi được 27
Hình 28: Mô hình hệ thống điều khiển và giám sát chiếu sáng dùng công nghệ
GSM/GPRS 28
Hình 29: Mô hình giám sát và điều khiển đến từng điểm sáng trong hệ thống chiếu sáng
đô thị 30
Hình 30: Mô hình giám sát và điều khiển đến từng điểm sáng ứng dụng công nghệ truyền
thông qua đường điện lưới (PLC) 31
Hình 31: Mô hình giám sát và điều khiển đến từng điểm sáng ứng dụng công nghệ truyền
thông qua đường điện lưới (PLC) 32
Hình 32: Sơ đồ chấn lưu 2 mức công suất. 33
Hình 33: Sơ đồ chấn bộ cắt pha Triac. 33
Hình 34: Nguyên lý hoạt động điều khiển độ sáng bóng đèn 34
Hình 35: Chấn lưu điện tử có khả năng tiết giảm của hãng Romlight. 35
Hình 36: Một số bộ đèn được sản xuất ở Việt Nam (cty Hapulico) 37
Hình 37: 37
Hình 38: Sơ đồ khối của bộ điều điểm sáng. 38

Hình 39: Sơ đồ nguyên lý bo mạch chính 40
Hình 40: Sơ đồ nguyên lý bo mạch PL3120 41


Hình 41: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 42
Hình 42: Sơ đồ nguyên lý khối chấp hành 42
Hình 43: Sơ đồ nguyên lý khối đồng hồ thời gian thực 43
Hình 44: Sơ đồ nguyên lý khối transducer 44
Hình 45: Sơ đồ khối của ADE7753 45
Hình 46: Khối đo dòng điện hiệu dụng trong ADE7753 45
Hình 47: Khối đo điện áp hiệu dụng trong ADE7753 46
Hình 48: Khối đo điện năng hữu công trong ADE7753 47
Hình 49: Khối đo điện năng vô công trong ADE7753 48
Hình 50: Khối đo năng lượng biểu kiến trong ADE7753 48
Hình 51: Giản đồ liên hệ giữa năng lượng hữu công, vô công và biểu kiến 49
Hình 52: Sơ đồ nguyên lý cơ bản mạch điều khiển công suất bóng đèn 50
Hình 53: Nguyên lý hoạt động điều khiển độ sáng bóng đèn 50
Hình 54: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển độ sáng bóng đèn và đo nhiệt độ. 51
Hình 55: Tín hiệu ra của mạch phát hiện điểm không 51
Hình 56: Dạng tín hiệu trên bóng đèn với công suất 80% 52
Hình 57: Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển 53
Hình 58: Biến áp ghép tín hiệu PLC 54
Hình 59: Biến áp cao tần lõi ferite 55
Hình 60: Mạch lọc đầu vào cho IC PL3120 56
Hình 61: Đồ thị Bode mô phỏng của mạch lọc thông giải. 57
Hình 62: Mạch hồi tiếp cho bộ khuếch đại chọn lọc. 57
Hình 63: Mạch tương đương để mô phỏng trên EW. 57
Hình 64: Đồ thị Bode mô phỏng của mạch lọc mạch khuếch đại chọn lọc. 58
Hình 65: Sơ đồ mạch khuếch đại công suất tín hiệu đầu ra. 58
Hình 66: So sánh cường độ tín hiệu và cường độ tín hiệu bảo vệ với thiết bị chuẩn. 59

Hình 67: Bố trí linh kiện trên bo mạch chủ. 60
Hình 68: Bố trí linh kiện trên bo mạch PL3120. 60
Hình 69: Đường dây mặt trên 61
Hình 70: Đường dây mặt dưới 62
Hình 71: Lưu đồ chương trình đọc các giá trị offset dòng và áp của ADE7753 64
Hình 72: Thiết bị căn chuẩn công tơ 1 pha PTC-8125D 65
Hình 73: Lưu đồ chương trình chính trên PL3120 67
Hình 74: Lưu đồ sự kiện Power On Reset. 69
Hình 75: Lưu đồ sự kiện ioSWD 70
Hình 76: Lưu đồ sự kiện nviCMDstr 71
Hình 77: Lưu đồ sự kiện định thời fback_timer 72
Hình 78: Lưu đồ sự kiện định thời loop_timer 73
Hình 79: Lưu đồ sự kiện định thời sample_timer 73
Hình 80: Vị trí bộ điều khiển điểm sáng thử nghiệm tại thành phố Huế trên bản đồ GIS . 77
Hình 81: Phần mềm giám sát và điều khiển tại trung tầm chiếu sáng đô thị Huế. 78
Hình 82: Số liệu giám sát điện áp ở điểm sáng D1. 79
Hình 83: Đặt lệnh điều khiển điểm sáng hoạt động ở 100% công suất 79
Hình 84: Dòng điện qua tải ở điêm sáng D1 giám sát từ 20h ngày 09/10/2011 đến 1h ngày
10/10/2011. 80


Hình 85: Dòng điện qua tải ở điêm sáng D1 giám sát từ 20h ngày 09/10/2011 đến 1h ngày
10/10/2011. 80
Hình 86: Đồ thị kết quả đo dòng điện của thiết bị 82
Hình 87: Đồ thị kết quả đo điện áp của thiết bị 82
Hình 88: Đồ thị kết quả đo điện năng hữu công của thiết bị 83

Mục lục bảng biểu
Bảng 1. Các thông số cần đạt đến của biến áp điện cảm rò 12H 54
Bảng 2. Các thông số cần đạt đến của biến áp điện cảm rò thấp 54
Bảng 3. Các thông số đạt được khi chế tạo biến áp điện cảm rò thấp. 55
Bảng 4. Bảng kết quả đo dòng điện của bộ điều khiển điểm sáng 66
Bảng 5. Tập lệnh trả về trung tâm từ tủ chiếu sáng về trung tâm qua MODEM 76
Bảng 6. Số liệu giám sát ứng với hệ số công suất đặt là 100% và 80%. 81


1


LỜI MỞ ĐẦU

Hệ thống chiếu sáng công cộng là một thành phần cấu thành không thể thiếu
trong tổng thể hệ thống các công trình kỹ thuật cơ sở hạ tầng đô thị , đóng vai trò quan
trọng trong việc bảo đảm an toàn giao thông, tăng cường trật tự an ninh đô thị, làm đẹp
cảnh quan môi trường vào ban đêm. Tại các nước phát triển, điện năng dùng cho chiếu
sáng chiếm từ 8 - 13% tổng điện năng tiêu thụ.[1]
Việc nâng cao chất lượng chiếu sáng không chỉ nhằm mục đích thoả mãn nhu
cầu ngày càng tăng của cuộc sống mà hơn nữa còn chính là một trong những sách lược
toàn cầu trong việc tiết kiệm nằng lượng và bảo vệ môi trường. Nhiệm vụ thiết kế đô
thị đi đôi với bảo vệ môi trường bền vững là một đòi hỏi cấp thiết. Ta hãy lấy một con
số để nghĩ: Tại Mỹ phần năng lượng điện dành cho chiếu sáng chiếm khoảng 19%,
hơn nửa phần trong đó bị tiêu phí vì sử dụng công nghệ chiếu sáng hiệu suất thấp. Với
công nghệ chiếu sáng hiệu suất cao sẽ tiết kiệm được khoảng 10% năng lượng, tương
đương với việc giảm 232 tấn khí thải CO

2
do các nhà máy điện thải ra hoặc do hàng
triệu xe ô tô thải ra bầu khí quyển.[2]
Thực trạng chiếu sáng đô thị lúc đó vẫn còn rất kém, lạc hậu so với các đô thị
trong khu vực [3]. Các hệ thống chiếu sáng chưa được điều khiển tự động hoá hoặc
mới ở mức bán tự động hoá.
Trong tình hình khan hiếm các nguồn năng lượng ở nước ta, đã đạt ra nhu cầu
cấp thiết phải có mô hình quản lý và sử dụng năng lượng hợp lý trong chiếu sáng đô
thị. Thủ tướng chính phủ đã ra Nghị định 79/2009/NĐ-CP và Quyết định số 1874/QĐ-
TTg, để nhằm đến mục đích “Chiếu sáng hiệu suất cao”, tiết kiệm điện năng tiêu thụ.
[4] [5]
Rất nhiều giải pháp nhằm tiết kiệm điện năng tiêu thụ trong chiếu sáng đô thị đã
được đưa ra, giải pháp ngắn hạn có, giải pháp dài hạn cũng có. Các giải pháp ngắn hạn
thường có giá thành thấp, triển khai nhanh chóng nhưng không đem lại hiệu suất sử
dụng điện năng cũng như hiệu suất chiếu sáng cao. Vấn đề là, vẫn phải chú trọng vào
một giải pháp tổng thề và dài hạn cho hệ thống chiếu sáng đô thị.
Công nghệ hiện đại, kỹ thuật tiên tiến, tiết kiệm và an toàn đang là những mục tiêu
quan trọng trong đổi mới hoạt động của ngành chiếu sáng công cộng đô thị
Để thực hiện các mục tiêu trên, một số giải pháp tập trung là:
- Xây dựng các trung tâm điều khiển hệ thống chiếu sáng công công đô thị tại
các đô thị loại 1 và loại 2. Với việc xây dựng trung tâm điều khiển này chúng ta mới
điều khiển, kiểm sóat và quản lý tới từng điểm sáng và tại mọi thời điểm … [6]
2

Mục tiêu trong luận văn này, tôi muốn thiết kế và xây dựng một bộ điều khiển
tại điểm sáng tích hợp vào được hệ thống chiếu sáng đô thị hiện có ở Việt Nam. Từ đó
điều khiển đến tiết giảm công suất tiêu thụ đến từng điểm sáng. Trong luận văn này tôi
sử dụng công nghệ truyền thông qua đường điện lưới của hãng Echelon, tích hợp hai
phương pháp tiết giảm công suất của bóng HPS bằng cắt pha nhờ Triac và điều khiển
chấn lưu hai mức công suất.

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Khái niệm cơ bản chiếu sáng đô thị
Hệ thống chiếu sáng đô thị bao gồm nhiều thành phần khác nhau, trong đó có thể
kể đến
- Chiếu sáng đường phố phục vụ giao thông.

Hình 1: Chiếu sáng trên đường cao tốc.
- Chiếu sáng các không gian chức năng của đô thị.
- Chiếu sáng trang trí quảng cáo.
- Chiếu sáng các công trình kiến trúc và di tích văn hoá lịch sử.

Hình 2: Hệ thống chiếu sáng xung quanh hồ Gươm, Hà nội.

- Hệ thống đèn tín hiệu điều khiển giao thông, đảm bảo an ninh, trật tự an toàn xã
hội.
4

1.2 Các loại nguồn sáng nhân tạo thông dụng[7]
1.2.1 Bóng đèn nung sáng: (Đèn sợi đốt)

Hình 3: Cấu tạo và giản đồ năng lượng của đèn sợi đốt
Hiệu quả phát sáng rất thấp do năng lượng nhiệt tản ra môi trường lớn.
Quang thông, tuổi thọ của đèn phụ thuộc mạnh vào điện áp nguồn.
Hiện nay không khuyến khích sử dụng trong dân dụng và công nghiệp nhưng vẫn
dùng trong chiếu sáng sự cố, chiếu sáng an toàn vì nó làm việc được với điện áp thấp.
 Bóng đèn nung sáng dùng khí halogen

Hình 4: Bóng đèn sợi đốt dùng khí halogen

Đặc điểm: Gọn hơn, tuổi thọ dài hơn, sáng trắng hơn, giá cao hơn, nhiều tia hồng
ngoại hơn, nhiều tia cực tím hơn.
1.2.2 Bóng đèn huỳnh quang
Đèn huỳnh quang cũng là một loại đèn phóng điện, tuy nhiên bản chất và nguyên
lý phát sáng hoàn toàn khác với đèn phóng điện nên dưới góc độ chiếu sáng nó được xem
xét với tư cách là một chủng loại đèn riêng. Đèn huỳnh quang có hiệu suất lớn hơn đèn
sợi đốt từ 3 đến 5 lần và có tuổi thọ lớn hơn từ 10 đến 20 lần.
5


Hình 5: Cấu tạo bóng đèn huỳnh quang


Hình 6: Sơ đồ đấu dây và giản đồ năng lượng của bóng đèn huỳnh quang


1.2.3 Bóng đèn phóng điện cuờng độ cao (HID)
Loại đèn này làm việc dựa trên hiện tượng phóng điện hồ quang nên được gọi
chung là đèn phóng điện cường độ cao (hay đèn HID = Hingh Intentsity Discharge).
 Đặc điểm
Đèn HID có ánh sáng phát ra khá ổn định, không phụ thuộc nhiệt độ môi trường
xung quanh nên rất thích hợp cho chiếu sáng đường phố, quảng trường, công viên,…
6

1.2.4 Đèn phát sáng quang điện (LED: Lighting Emitting Diode)
Cấu tạo cơ bản của đèn LED là hai lớp bán dẫn p và n tiếp xúc nhau. Tùy chất liệu
của p và n, LED có thể phát ra ánh sáng có màu khác nhau, từ xanh lá cây, đỏ, đến trắng

Do tiêu hao nhiệt rất ít, LED hầu như không nung nóng môi trường xung quanh và khác
với các loại bóng đèn khác, ánh sáng LED không gây chói, mỏi mắt, không phát ra tia cực
tím. Bằng việc ghép nhiều LED nhỏ bằng hạt đỗ với nhau, có thể tạo một môi trường ánh
sáng rực rỡ trong một không gian rộng lớn, thậm chí có thể ở nhiệt độ âm 300C. Tuy vậy,
giá thành LED hiện vẫn còn cao nên ở Việt Nam nó dùng cho quảng cáo là chủ yếu. Còn
ở các nước khác đã sử dụng cho khu du lịch, vui chơi giải trí, hàng năm tiết kiệm được rất
nhiều tiền điện.
1.2.5 Đèn Sulfua
Đèn này cũng không có điện cực, ánh sáng phát ra do bức xạ của các nguyên tử
sulfua trong môi trường khí argon bị kích thích bằng vi sóng. Đèn có quang hiệu rất cao,
cỡ 100lm/W và bức xạ rất ít tia hồng ngoại cũng như tử ngoại. Nhiệt độ màu có thể lên
tới 60000K gần với ánh sáng ban ngày và chỉ số hoàn màu CRI=80. Khi phân tích phổ
màu đèn sulfua người ta thấy nó gần trùng với phổ màu của ánh sáng ban ngày nên đây là
loại đèn lý tưởng để chiếu sáng trong nhà và mang lại cảm giác dễ chịu.
1.3 Cấu tạo và các thông số của bộ đèn, thành phần chính của điểm sáng
1.3.1 Cấu tạo của bộ đèn chiếu sáng công cộng
1.3.1.1 Tấm phản quang
Các loại đèn chiếu sáng công cộng thường có tấm phản quang để phân bố lại ánh
sáng của nguồn cho phù hợp với mục đích sử dụng.
Tấm phản quang có thể được làm bằng gương hoặc được mạ màu trắng
7


Hình 7: Cấu tạo bộ đèn chiếu sáng công cộng

Hình dáng tấm phản quang phụ thuộc vào yêu cầu phân bố ánh sáng. Thông
thường tấm phản quang có dạng paraboloit tròn xoay và nguồn sáng đặt ở tiêu điểm thì
các tia sáng phản xạ sẽ song song nhau. Một số bộ đèn có tấm phản quang dạng elipxoit
tròn xoay có nguồn sáng đặt ở một tiêu điểm thì các tia sáng phản xạ sẽ hội tụ về tiêu
điểm thứ 2 để tạo thành nguồn sáng điểm. Ngoài ra còn có loại tấm phản quang hai múi,

gồm hai nửa paraboloit tròn xoay ghép lại, sẽ làm tăng đáng kể hiệu suất của bộ đèn so
với loại một múi.

Hình 8: Các loại tấm phản quang
1.3.1.2 Thiết bị mồi đèn (tắc te) và chấn lưu
 Thiết bị mồi đèn
Các đèn phóng điện cần phải có thiết bị mồi để tạo điện áp ban đầu đủ lớn để tạo ra
hiện tượng phóng điện (hiện tượng mồi). Sau khi xảy ra phóng điện ban đầu, dòng điện
tăng lên, điện áp giảm xuống và hiện tượng phóng điện tiếp tục duy trì ở điện áp của lưới
điện. Thiết bị mồi thường dùng loại rơle nhiệt, hiện nay vẫn còn dùng phổ biến nhưng dần
dần sẽ bị thay thế bởi thiết bị mồi điện tử. Nhược điểm là mau hỏng, tạo điện áp mồi
không lớn, có tiếng động khi làm việc, khó mồi.
8

Hiện nay bắt đầu sử dụng thiết bị mồi điện tử thay thế cả bộ mồi và chấn lưu kiểu
điện cảm được gọi chung là chấn lưu điện tử. Đặc điểm là tạo ra xung dòng điện rất hẹp
có tần số cao (trên 20kHz), do đó tạo điện áp mồi lớn, không nhấp nháy, điện áp nguồn
thấp vẫn mồi được. Nhờ không có chấn lưu sắt từ nên tổn hao nhiệt giảm xuống làm tăng
đáng kể hiệu suất của bộ đèn.

Hình 9: Thiết bị mồi đèn
 Chấn lưu
Chấn lưu có nhiệm vụ chính là cung cấp điện áp lớn để mồi đèn khi khởi động đèn,
ngoài ra khi đèn làm việc bình thường nó làm nhiệm vụ ổn định điểm làm việc, tránh sự
dao động điện áp lưới ảnh hưởng đến sự phát sáng của đèn. Có các loại chấn lưu sau đây :
Chấn lưu điện trở: Làm giảm hiệu suất của đèn do tiêu thụ năng lượng, hiệu quả
mồi đèn không cao.
Chấn lưu điện cảm: Không tiêu thụ năng lượng cho việc mồi đèn như điện trở
nhưng nó lại tiêu hao năng lượng dưới dạng nhiệt và từ trễ, ngoài ra do tiêu thụ nhiều
công suất phản kháng nên làm hệ số công suất cosφ thấp.

Chấn lưu điện cảm - tụ điện: Tác dụng như chấn lưu điện cảm nhưng có thêm tụ
điện nối tiếp để tăng hệ số công suất cosφ.
Chấn lưu điện tử: biến đổi tần số 50Hz thành tần số cao (khoảng vài chục kHz).
Không tiêu hao năng lượng, loại trừ được hiện tượng nhấp nháy, kích thước nhỏ gọn
nhưng giá thành cao hơn các loại chấn lưu nói trên.
1.4 Điểm sáng trong hệ thống chiếu sáng công cộng
1.4.1 Khái niệm:
Điểm sáng là một đơn vị nhỏ nhất, tế bào nhỏ nhất hình thành lên hệ thống chiếu
sáng công cộng.
Điểm sáng ở đây có thể là:
- Một bóng đèn, một cột đèn duy nhất.
- Một cụm đèn.
9


Hình 10: Điểm sáng tháp Rùa, hồ Gươm bao gồm một cụm đèn LED RGB.
- Một dải đèn.

Hình 11: Điểm sáng hầm cầu vượt Kim Liên, gồm dải đèn cao áp.

1.4.2 Các thông số cần có cho một điểm sáng
- Vị trí địa lí. Giúp điều khiển điểm sáng trên bản đồ dựa trên công nghệ GIS.
- Chủng loại điểm sáng: đèn HPS, đèn HID, đèn LED ….
- Thông số dòng áp, điện năng tiêu thụ, hệ số lệch pha cosphi.
- Thời gian tuổi thọ bóng.
- Trạng thái cảnh báo của thiết bị.
1.5 Tủ điều khiển chiếu sáng
Nhận lệnh từ tủ điều khiển khu vực để đóng/cắt tuyến đèn mà tủ này cấp nguồn.
Nếu chậm sau giờ đóng/cắt đèn một khoảng thời gian đặt trước (thay đổi được từ trung
tâm tới từng tủ điều khiển chiếu sáng) mà không nhận được lệnh từ tủ khu vực, tủ điều

khiển chiếu sáng sẽ tự động ra lệnh đóng/cắt đèn.
10

Về mặt truyền thông, với những tủ điều khiển chiếu sáng ở xa tủ khu vực, các tủ
chiếu sáng ở gần hơn sẽ được Bộ quản lý mạng kích hoạt chức năng làm bộ Repeater cho
tủ chiếu sáng đó. Điều này rất có lợi vì không phải lắp thêm các bộ khuyếch đại riêng
biệt. Mỗi một tủ chiếu sáng coi như một Slave trong mạng khu vực hoạt động độc lập với
các Slave khác.
Đo lường các giá trị dòng điện, điện áp 3 pha và truyền về tủ khu vực. Kiểm tra hoạt động
của tủ, thông báo về tủ khu vực các sự cố.

11


CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ PLC CỦA ECHELON VÀ
ỨNG DỤNG TRONG ĐIỂU KHIỂN ĐIỂM SÁNG THEO
CHUẨN LONWORKS

2.1 Chuẩn Lonworks
2.1.1 Giới thiệu
Vào giai đoạn bình minh của máy tính cá nhân chắc chắn không ai cho rằng một
máy tính cá nhân có thể giao tiếp với một máy tính khác. Rồi đến hệ điều hành DOS xuất
hiện. Được chấp nhận đầu tiên bởi IBM, nó đã nhanh chóng trở thành một tiêu chuẩn cho
nhiều ngành công nghiệp máy tính. Người sử dụng đã không phải lo lắng về việc có hay
không một hệ thống có thể giao tiếp với một hệ thống khác.
Nhưng mọi thứ đã không đơn giản như vậy với các hệ thống tự động hóa. Mỗi nhà
sản xuất phát triển hệ thống riêng của họ. Không có tiêu chuẩn ngành để làm theo. Kết
quả là các hệ thống đến từ các nhà sản xuất khác nhau thì không tương thích với nhau
được.
Khi mà các hệ thống gia tăng dần lên độ phức tạp và mở rộng, những người quản

lý hệ thống trang thiết bị thường xuyên nhận ra rằng chính những sự không tương thích
này trở thành chướng ngại cản việc cải tiến hiệu năng vận hành. Rất khó hoặc hầu như
không thể để tích hợp các hệ thống điều khiển và tự động hóa độc lập trở thành một hệ
thống thống nhất.
Vấn đề là các hệ thống từ những nhà sản xuất khác nhau thì không thể đổi lẫn cho
nhau được. Những nỗ lực ban đầu để triển khai tính đổi lẫn ít ỏi hơn nhiều so với việc các
nhà sản xuất riêng lẻ đẩy mạnh việc triển khai các hệ thống điều khiển và tự động độc
quyền của hộ nhằm chiếm lĩnh hệ thống. Với các hệ thống kiểu độc quyền này, nhà quản
lý hệ thống trang thiết bị khóa chặt với một nhà sản xuất. Nếu như có một chức năng vận
hành nào đó cần thực thi nhưng lại không được cung cấp bởi nhà sản xuất. Nếu như có
một chức năng vận hành nào đo cần thực thi nhưng lại không được cấp bởi nhà sản xuất
thì thật là không may. Tệ hơn nữa, với việc không có đối thủ trong các hạng mục mở rộng
nâng cấp và thay thế, nhà quản lý hệ thống sẽ bị chịu sự áp đặt giá từ phía nhà sản xuất.
Trong lĩnh vực tự động hóa hiện có hai hướng giải quyết liên quan đến các giao
thức và tính đổi lẫn. Một số nhà phát triển giao thức đã chọn cách giữ phần lớn nội dung
giao thức độc quyền đồng thời cho phép các nhà sản xuất phát triển khác thì chọn cách
công bố rộng rãi tiêu chuẩn ra công chúng để bất kỳ nhà sản xuất nào cũng có thể phát
triển sản phẩm đó.
12

Ba trong số những giao thức đổi lẫn được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay chính là
LonMark, BACnet và Modbus. Trong khi cả ba giao thức này đều đặt được thành công
trong việc triển khai những hệ thống tự động hóa cỏ thể đổi lẫn được, cách mà chúng giải
quyết vấn đề đổi lẫn thì lại khác nhau vô cùng. Những sự khác nhau này không có nghĩa
là cái nào hơn cái nào, chỉ là khác nhau mà thôi.[8]
2.1.2 Chuẩn mạng Lonworks

Hình 12: Các lĩnh vực ứng dụng mạng Lonworks.

Hình 13: Kiến trúc hệ thống mạng mở của Lonworks

LNS Server
with VNI





LNS Driver
DDE Server
OPC
Web Service
SOAP/XML
OpenLDV

TCP/IP
TCP/IP

LonWorks
Qua mạng
Internet
WAN
LON

Enterprise System

Security
Integrator
i.Lon 600
IP Router
i.Lon 100e3
i.Lon 10
HVAC
Integrator
LonPoint

GSM/GPRS
M-Bus &
Modbus
other
buses

Web Services
LonWorks
LonWorks
LonWorks
LPR router
13

LonMark đưa ra cách giải quyết theo kiểu khác đối với vấn đề tính đổi lẫn.
LonMark là giao thức sở hữu độc quyền bởi tập đoàn Echelon Corporation liên kết với
Motorola vào đầu thập niên 1990. Tiêu chuẩn LonMark được dựa trên giao thức thông tin
có sở hữu với tên gọi LonTalk. Giao thức LonTalk thiết lập một bộ quy tắc quản lý việc
giao tiếp thông tin trong một mạng các thiết bị cùng hợp tác. Để đơn giản hóa việc thực
thi giao thức, Echelon đã chọn làm việc với Motorola để phát triển một chip xử lý thông
tin chuyên dụng có tên gọi Neuron. Thông qua việc sử dụng con chip xử lý này cùng với
các phần mềm hỗ trợ, giao thức thiết lập nên cách mà thong tin được trao đổi giữa các
thiết bị. Bởi vì phần lớn của giao thức giao tiếp được bao hàm trong con chip xử lý,
những người thiết kế và lắp đặt hệ thống có thể tập trung vào các khía cạnh khác của hệ
thống.
Trong khi LonTalk thiên về vấn đề các thiết bị truyền đạt thông tin như thế nào, nó
lại không quan tâm đến nội dung của việc trao đổi thông tin. Một giao thức thứ hai tên là
LonWorks, định nghĩa nội dung và cấu trúc của thông tin được trao đổi. LonWorks là một
hệ thống điều khiển phân bố vận hành trên nền tảng ngang hàng (peer to peer), nghĩa là
mọi thiết bị có thể giao tiếp với mọi thiết bị khác trên mạng hoặc là sử dụng cấu hình chủ
tớ (master-slave) để trao đổi thông tin giữa các thiết bị thông minh. Nền tảng LonWorks

hỗ trợ một phạm vi rộng các phương tiện trao đổi thông tin.
Các thiết bị tương thích với LonWorks giao tiếp với nhau qua một biến mạng
chuẩn (SNVT-Standard Network Variable Type). Để một biến mạng SNVT thực thi chức
năng, cả hai thiết bị nhận và gửi phải có sự nhận biết chi tiết về cấu trúc SNVT là gì. Vì
thế mỗi SNVT được định danh bằng một mã số cho phép thiết bị nhận hiểu được đúng dữ
liệu truyền tải.
Ban đầu LonWorks không định nghĩa mã SNVT đặc thù có ý nghĩa gì. Điều này
đem đến sự nhầm lẫn giữa các nhà sản xuất đã dùng mã số giống nhau để xác định các
vấn đề khác nhau. Để loại bỏ sự nhầm lẫn này đồng thời tiêu chuẩn hóa mã SNVT, hiệp
hội về tính đổi lẫn cho LonMark (LonMark Interoperability Association) được lập ra năm
1994. Hợp thành bởi hàng trăm nhà sản xuất và tích hợp hệ thống, một trong những mục
tiêu chính của hiệp hội này là đặt ra những phương pháp tiêu chuẩn cho việc thiết lập
công nghệ LonWorks.
Để đảm bảo mọi thiết bị được lắp đặt trong một hệ thống LonMark sẽ hoạt động
đúng chức năng với các thiết bị khác, LonMark yêu cầu thiết bị phải được thẩm tra là tuân
theo giao thức LonMark để có được logo của LonMark trên nó. LonMark sử dụng một
công cụ trên nền web để giảm thiểu thời gian và chi phí chứng nhận cho các thiết bị.
Một trong những đổi mới gần đây nhất của LonMark là profile mạng (network
profile). Ý tưởng phía sau profile mạng là không cần quan tâm đến ai là người làm ra thiết
bị chuyên dụng thực thi chức năng trên mạng từ những điểm (data points) được đặt tên
14

cho nó. Profile mạng định trước này là profile tối thiểu của mọi thiết bị kế nối. Các nhà
sản xuất có thể thêm vào các mục cho profile định trước này dựa trên sản phẩm chuyên
dụng của họ, để đem lại tính linh hoạt đồng thời duy trì được sự đơn giản và tính đổi lẫn.
LonWorks cũng được chấp nhận và lưu hành bởi nhiều tổ chức tiêu chuẩn quốc tế
ANSI/CEA 709.1 và IEEE 1473-L.[9]
2.2 Công nghệ PLC của Echelon
2.2.1 Giới thiệu:
Những thành tựu khoa học kỹ thuật từ những năm 50 của thế kỷ 20 đã cho phép sử

dụng đường dây điện lực để truyền các tín hiệu đo lường, giám sát, điều khiển. Cùng với
tốc độ phát triển nhanh chóng của các công nghệ khác trong lĩnh vực viễn thông và công
nghệ thông tin, hiện nay công nghệ truyền thông tin trên đường dây điện lực PLC (Power
Line Communication) mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực thông tin. Với việc sử
dụng các đường dây truyền tải điện để truyền dữ liệu, công nghệ PLC cho phép kết hợp
các dịch vụ truyền tin và năng lượng.

Hình 14: Hệ thống truyền thông tin trên đường dây điện lực
Công nghệ truyền thông đường điện PLC (Powerline Communication) cho phép
truyền dữ liệu qua hệ thống đường điện gia dụng. Khởi đầu của công nghệ truyền thông
tin trên đường dây điện lực là hệ thống hỗ trợ đọc công tơ điện. Sau đó hệ thống này được
phát triển bổ sung thêm các chức năng giám sát, cảnh báo và điều khiển từ chức năng ban
đầu là tự động đọc số công tơ, ghi lại và chuyển số liệu về trung tâm, các chức năng giám
sát được hoạt động, cảnh báo và điều khiển đã được phát triển.
15


Hình 15: Hệ thống đo lường, giám sát, điều khiển trên đường dây điện lực
2.2.2 Hệ thống truyền thông tin trên đường dây điện lực:
Mạng đường dây hạ thế có thể sử dụng như một hệ thống truyền thông. Mạng gồm
nhiều kênh, mỗi kênh là một đường truyền vật lý nối giữa trạm con và một hộ dân, có các
đặc tính và chất lượng kênh truyền khác nhau và thay đổi theo thời gian. Tín hiệu được
truyền trên dòng điện xoay chiều 50 Hz sau đó có thể được trích ra bởi một connector kết
nối vào đường dây.
Mô hình hệ thống truyền thông số sử dụng đường dây điện lực được thể hiện trong
hình:

Hình 16: Mô hình hệ thống truyền thông tin số trên đường dây điện lực

Trong mô hình này các tham số quan trọng của hệ thống là trở kháng đầu ra của

máy phát Zt và trở kháng đầu vào của máy thu Zl. Đường dây điện lực giống như một
anten phát/ thu làm cản trở quá trình phát/ thu tín hiệu.
Mạch ghép được sử dụng với hai mục đích, thứ nhất nó chặn các tín hiệu xoay
chiều 50 Hz gây hại, thứ hai nó xác nhận thành phần chính của tín hiệu phát/ thu nằm
trong băng tần được cấp phát cho truyền thông. Điều này giúp làm tăng dải động của máy
thu và đảm bảo máy phát không đưa nhiễu lên kênh.
16

2.2.3 Đặc tính kênh truyền PLC
Đường dây truyền tải điện không phải được thiết kế để dành cho truyền dữ liệu, do
đó có rất nhiều vấn đề cần được khắc phục. Công suất nhiễu trên đường dây điện lực là
tập hợp tất cả các nhiễu loạn khác nhau thâm nhập vào đường dây và vào máy thu. Các tải
được kết nối vào mạng như ti vi, máy tính, máy hút bụi… phát nhiễu và truyền bá qua
đường dây điện, các hệ thống truyền thông khác cũng có thể đưa thêm nhiễu vào máy thu.
Đường dây điện được ra đời phục vu cho việc truyền năng lượng điện chứ không
nhằm mục đích truyền thông tin. Khi đưa thông tin truyền trên đó, ta sẽ gặp phải rất nhiều
yếu tố gây nhiễu cho tín hiệu. Nhiễu trên đường đây điện có thể quy về 4 loại sau:
Nhiễu nền (Background noise).
Nhiễu xung (Implulse noise).
Nhiễu băng hẹp (Narrow band noise).
Nhiễu họa âm (Harmonic noise). [10]
Thực tế đường dây điện lực là một môi trường truyền thông rất nhạy cảm, các đặc
tính của kênh vẫn là những vấn đề được nghiên cứu nhằm đưa ra các giải pháp xử lý hiệu
quả.
2.3 Tìm hiểu chip PL3120 và mô hình quản lý mạng PLC theo chuẩn
Lonworks
2.3.1 Chip PL3120
2.3.1.1 Neuron Core [11]
Echelon’s Smart Transceivers tích hợp Neuron core và Echelon power line trong
một IC, loại bỏ một thiết bị thu phát bên ngoài. Neuro core bao gồm 3-8 bit xử lý trên bộ

nhớ của chíp, có 11 hay 12 chân I/O, một cổng truyền thông, một bộ định thời và control
interface, 48 bit Neuro ID (mỗi một thiết bị có một ID riêng). Firmware được chưa trong
ROM bao gồm bộ xử lý đa nghiệm và I/O riêng biệt phù hợp với giao thức LonTalk. Bộ
nhớ RAM được sử dụng để ngăn xếp (các stack), dữ liệu của hệ thống, các bộ timer, bộ
đệm và ứng dụng dữ liệu.
Smart Transceiver thực hiện tất cả mạng và xử lý ứng dụng trong suốt quá trình
nhúng giao thức LonTalk vào trong firmware của nó. Xây dựng giao thức truyền thông
và bộ xử lý loại bỏ là cần thiết cho bất cứ phát triển ứng dụng hay một chương trình
trong lĩnh vực này. Chương trình trên lớp ứng dụng và cấu hình cần được cung cấp. Mã
ứng dụng của người dùng có thể lưu trữ trong bộ nhớ với chip PL 3120 .
17


Hình 17: Sơ đồ khối Smart Transceiver
Mỗi một Neuron Chip hay Smart Transceiver có 3 bộ xử lý. Hai trong ba bộ xử lý
đó tác động qua lại với truyền thông hệ thống con để truyền thông tin giữa các thiết bị
trong cùng một mạng. Bộ xử lý thứ 2 thực thi các mã ứng dụng.

Hình 18: Bộ xử lý của Neuron Chip, hay Smart Transceiver

Bộ xử lý 2 là bộ xử lý mạng (Network processor) thực hiện lớp thứ 3 đến lớp 6 của
giao thứcLonTalk. Nó thực hiện xử lý các biến mạng (Network variable), địa chỉ, xử lý
bước chuyền, phát hiện, chuẩn đoán, phần mềm bộ định thời , quản lý mạng và chức năng
định tuyến. Bộ xử lý 2 sử dụng bộ đệm mạng trong bộ nhớ chung để giao tiếp với bộ xử
lý 1, và bộ đệm ứng dụng để giao tiếp với bộ xử lý thứ 3. Những bộ đệm này hầu hết
được định vị trong bộ nhớ RAM dùng chung. Cho phép chúng điều chỉnh với cờ hiệu
phần cứng để giải quyết kết nối khi dữ liệu dùng chung được cập nhập.
18

Bộ xử lý 3 là bộ xử lý ứng dụng. Chúng thực thi các mã ứng dụng được viết bởi

người phát triển cùng với dịch vụ điều khiển hệ thống được gọi bởi mã của người lập
trình. Ngôn ngữ đầu tiên được sử dụng trong ứng dụng là Neuron C bắt nguồn từ ANSIC
được tối ưu hóa tăng cường cho chuẩn LONWORKS.
Neuron 3120 Core Smart Transceiver được thiết kế cho những ứng dụng nhỏ và có
bộ nhớ lên tới 4 Kbyte. Trong bộ nhớ trong ROM bao gồm firmware và 512 bytes
EEPROM.

Hình 19: Sơ đồ khối 3120 Smart Transceiver
2.3.1.2 Điều khiển qua mạng điện lưới (Power Line Control Network):
Đường dây điện lực điều khiển mạng, những gói điều khiển có thể gửi trên đường
điện xoay chiều hay một chiều với bất cứ hiệu điện thế nào, cũng như trên các đường dây
không phải là đương dây điện (ví dụ như đường dây mạng ADSL hay đường dây điện
thoại). PL 3120 Power Line Smart Transceiver giao tiếp trên đường dây điện.
Đường dây xoay chiều hoạt động ở tần số 50- 60 Hz với dây điện cảm và hiệu ứng
tải có thể dễ dàng dẫn đến một sự suy giảm tín hiệu khoảng 40 dB đến 60 dB. Thêm nữa,
các thiết bị điện như máy tính, motor, máy hut bụi … và các bộ nguồn chuyển mạch đưa
nhiễu vào các thiết bị điện chính, đều có thể chặn mức tín hiệu điều khiển trên đường dây
điện. Bằng cách sử dụng điều chế pha nhị phân và dải hẹp tín hiệu, cho tần số sóng mang
thực hiện, thích ứng và truyền tín hiệu tương quan, xung nhiễu sẽ được loại bỏ, Power
Line Smart Transceiver có thể thực hiện đáng tin cậy trên bất cứ đường điện có nhiễu.

19



Hình 20: Mạng điều khiển trên đường dây điện
Hoạt động của 2 tần số sóng mang:

Hình 21: Tần số sóng mang

Power Line Smart Tranceiver dùng 2 tần số sóng mang để truyền thông một cách
tin cậy cao kể cả có nguồn nhiễu. Trong trường hợp một thông điệp xác nhận
(acknowledged), gói tín hiệu truyền lúc ban đầu được mang bởi tần số đầu tiên và nếu