Báo cáo đồ án tốt nghiệp - Tủ điều khiển và giám sát hệ thống điện 3 pha thông qua Smartphone kết nối mạng Internet (Có code)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

BÁO CÁO
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Ngành: CNKT Điều Khiển và Tự Động
Hóa
ĐỀ TÀI:

Thiết kế, thi công tủ điều khiển và
giám sát

hệ thống điện 3 pha thông qua
Smartphone
kết nối mạng Internet
GVHD: PGS.TS Trương Đình Nhơn


SVTH: Phạm Văn Thêm

MSSV:

15151219
Huỳnh Tấn Vân MSSV: 15151255

TP. Hồ Chí Minh 7/2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

BÁO CÁO
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Ngành: CNKT Điều Khiển và Tự Động

Hóa
ĐỀ TÀI:

Thiết kế, thi công tủ điều khiển và
giám sát hệ thống điện 3 pha thông
qua Smartphone kết nối mạng
Internet
GVHD: PGS.TS Trương Đình Nhơn
SVTH: Phạm Văn Thêm
15151219

MSSV:

Huỳnh Tấn Vân MSSV: 15151255

TP. Hồ Chí Minh 7/2019


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
----o0o---Tp. HCM, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1:

Phạm Văn Thêm

MSSV: 15151219

Họ tên sinh viên 2:

Huỳnh Tấn Vân

MSSV: 15151255

Chuyên ngành:

Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Hệ đào tạo:

Đại học chính quy

Khóa:

15

Lớp:

151511b

1. Tên đề tài
Thiết kế, thi công tủ điều khiển và giám sát hệ thống điện 3 pha
thông qua Smartphone kết nối mạng Internet
2. Nhiệm vụ

- Nghiên cứu giải pháp điều khiển từ xa thông qua mạng
Internet sử dụng các thiết bị công nghiệp như PLC, HMI...
- Nghiên cứu giải pháp đo lường điện và truyền thông dữ liệu
đo lường tới các thiết bị di động khác thông qua mạng Internet.
- Thiết kế và thi công tủ điều khiển và giám sát các thông số
điện của lưới điện 3 pha, chia sẻ dữ liệu đo lường và tương tác tín
hiệu điều khiển với điện thoại thông minh.
- Tủ điện hoàn thiện có tính thẩm mỹ, đáp ứng yêu cầu kỹ
thuật có thể ứng dụng luôn vào thực tiễn.

3. Ngày giao nhiệm vụ:

20/03/2019

4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

30/6/2019


5. Cán bộ hướng dẫn:

PGS.TS Trương Đình Nhơn

Tp. HCM, ngày tháng năm

Cán bộ hướng dẫn

PGS.TS Trương Đình Nhơn

Bộ môn tự động điều khiển


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
----o0o----

Tp. HCM, ngày tháng năm

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên 1:

Phạm Văn Thêm

MSSV: 15151219

Họ tên sinh viên 2:

Huỳnh Tấn Vân

MSSV: 15151255

Tên đề tài:

Thiết kế, thi công tủ điều khiển và giám sát hệ thống điện 3 pha

thông qua Smartphone kết nối mạng Internet

Tuần/ngày

Nội dung

Tuần 1
18/3 – 24/3
Tuần 2
25/3 – 31/3

Gặp giảng viên hướng dẫn và trao đổi về đề tài

đồ án tốt nghiệp.
Viết đề cương và lịch trình thực hiện đồ án tốt
nghiệp.
Đề ra giải pháp và thiết kế nguyên lý hoạt
động
Khảo sát và lựa chọn thiết bị

Tuần 3
1/4– 7/4
Tuần 4
8/5– 14/4
Tuần 5

15/4 – 21/4
Tuần 6
22/4 – 28/4
Tuần 7
29/4 – 5/5
Tuần 8
6/5 – 12/5
Tuần 9
13/5 – 19/5

Khảo sát và lựa chọn thiết bị
Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý.

Thiết kế vỏ tủ, bố trí thiết bị
Thiết kế phần mềm
Thi công phần cứng, đấu nối thiết bị
Tiến hành lập trình điều khiển

Xác nhận
của GVHD


Tuần 10
20/5 – 26/5
Tuần 11

27/5 – 2/6
Tuần 12
3/6 – 9/6
Tuần 13-16
10/6 – 30/6

Thiết kế giao diện điều khiển HMI
Cài đặt , cân chỉnh thông số cho các thiết bị
Chạy thử nghiệm và cân chỉnh lần cuối
Đánh giá kết quả đạt được, viết báo cáo.

GV HƯỚNG DẪN

PGS.TS Trương Đình Nhơn


LỜI CAM ĐOAN
Chúng tôi Phạm Văn Thêm và Huỳnh Tấn Vân cam đoan đồ
án tốt nghiệp là công trình nghiên cứu của chúng tôi dưới sự hướng
dẫn của PGS.TS Trương Đình Nhơn
Các kết quả công bố trong đồ án tốt nghiệp này là trung thực
và không sao chép từ bất kỳ công trình nào khác.
Giáo viên hướng dẫn xác nhận về mức độ hoàn thành và cho phép
được bảo vệ.

Tp.HCM, ngày

tháng năm 2019

Sinh viên thực hiện

Phạm Văn Thêm

Huỳnh Tấn Vân


LỜI CẢM ƠN

Đề tài “Thiết kế, thi công tủ điều khiển và giám sát hệ thống
điện 3 pha thông qua Smartphone kết nối mạng Internet” là nội
dung chúng tôi đã chọn đề nghiên cứu và làm đề tài bảo vệ tốt
nghiệp chuyên ngành CNKT Điều Khiển Và Tự Động Hóa tại trường
Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM.
Để hoàn thành quá trình nghiên cứu và hoàn thiện đề tài này,
lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Trương
Đình Nhơn giảng viên khoa Điện-Điện tử,Trường Đại Học Sư Phạm
Kỹ Thuật TP.HCM Thầy là người hỗ trợ cơ sở vật chất cũng như đã
trực tiếp chỉ bảo và hướng dẫn chúng tôi trong suốt quá trình
nghiên cứu để chúng tôi hoàn thành đề tài này.

Chúng tôi cũng xin cảm ơn Khoa Điện-Điện Tử Trường Đại
Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM và bộ môn Tự Động Điều Khiển đã
hỗ trợ một phần thiết bị để chúng tôi có điều kiện nghiên cứu và
hoàn thiện đề tài một cách tốt nhất
Cuối cùng, chúng tôi xin cảm ơn Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ
Thuật TP.HCM đã tạo điều kiện, môi trường học tập nghiên cứu, là
nơi cung cấp giảng dạy cho chúng tôi nhiều kiến thức chuyên môn
cũng như những kiến thức cuộc sống quý báu, đó là tiền đề và cốt
lõi để chúng tôi có thể làm việc cống hiến cho cả hôm nay và mai
sau.
Trân trọng cảm ơn!

Sinh viên thực hiện đề tài
Phạm Văn Thêm
Huỳnh Tấn Vân


MỤC LỤC


DANH MỤC HÌNH
Chương 2

Chương 3

Chương 4

DANH MỤC BẢNG

CÁC TỪ VIẾT TẮT

Scada:

Supervisory Control And Data Acquisition

IoT:

Internet of thing

HMI:

Human-Machine-Interface

PLC:

Programmable logic controller

CHƯƠNG 1

1.1.

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

- Lý do chọn đề tài.
Ngày nay nhu cầu về điện năng ngày càng lớn không chỉ lưới
điện Quốc gia mà ngay cả nhu cầu về năng lượng tái tạo. Khi
quy mô phân bố điện càng rộng khắp, các dạng năng lượng ngày

càng đa dạng, dẫn tới yêu cầu về quản lý, giám sát cũng cần
được nâng cao.
Trước đây khi khoa học công nghệ tại Việt Nam chưa phát
triển và có nhiều ứng dụng thiết thực, việc thu thập, quản lý dữ
liệu điện năng chủ yếu theo phương pháp thủ công. Các công ty
điện lực hay các đơn vị phân phối, truyền tải điện năng cần có
một lượng nhân công rất lớn, phủ khắp các khu vực để theo dõi
kiểm tra các thông số lưới điện. Hàng tháng nhân viên điện lực
phải đến tận nơi để lấy thông tin về điện năng tiêu thụ của từng
hộ dân cư rồi ghi chép tính toán và thu phí gửi về cho các cơ
quan cấp bán điện.
Những vấn đề nảy sinh trong việc thu gom số liệu thủ công

ngày càng trở nên khó khăn và bất cập hơn. Các công ty, đơn vị
bán điện ngày càng cần tới nhiều nhân viện hơn, cơ sở dữ liệu
ghi chép thủ công dễ dẫn đến sai sót và thất lạc. Các dạng năng
lượng sạch như điện gió, điện mặt trời… đang ngày càng được
ứng dụng là lắp đặt nhiều với đặc điểm địa lý khắc nghiệt, xa với
khu vực quản lý. Điều này dẫn tới nhiều khó khăn hơn trong việc
quản lý theo phương pháp cũ.
Đối với những dự án năng lượng điện tự cung, tự cấp của các
hộ dân cư hay các đơn vị ở xa chưa có điều kiện để sử dụng lưới


điện Quốc gia như các địa bàn dân cư ở hải đảo, vùng nói cao,

vùng biên giới… Phần lớn sử dụng các thủy điện nhỏ, các hệ
thống điện mặt trời hay điện gió, việc quản lý nguồn năng lượng
này lại càng chặt chẽ vì lý do cần tiết kiệm tối đa, nhưng không
thể lúc nào cũng có đủ thời gian để kiểm tra theo dõi các thông
số, trạng thái của hệ thống điện.
Những bất cập được nêu ở trên, cùng với yêu cầu ngày càng
cao trong việc quản lý năng lượng, cần có một giải pháp để ứng
dụng và nâng cao chất lượng quản lý, giám sát các hệ thồng
cung cấp điện. Đó là động lực thúc đẩy chúng tôi nghiên cứu và
tạo ra một sản phẩm điều khiển và giám sát các thông số điện
bằng một phương pháp mới giảm thời gian, giảm chi phí và sai
sót xuống mức thấp, giải phóng sức lao động, phương pháp đó là

giám sát từ xa thông qua thiết bị di động cụ thể là điện thoại
thông minh có kết nối internet.
- Tổng quan về đề tài.
Đề tài “Thiết kế, thi công tủ điều khiển và giám sát hệ thống
điện 3 pha thông qua Smartphone kết nối mạng Internet” là
công trình ngiên cứu và thực hiện nhằm mục đích nâng cao hiệu
quả quản lý hệ thống cấp điện 3 pha.
Sản phẩm hoàn thiện là một tủ điện có kích thước
600x400x300 mm. Bao gồm hai lớp cánh. Lớp cánh ngoài gắn 3
đèn báo pha. Lớp cánh phụ phía trong chứa 2 nút nhấn điều
khiển ON/OFF và một đèn báo tín hiệu mạch điều khiển, môt
màn hình HMI, màn hình hiển thị của đồng hồ đo lường. Phía trên

tủ là 2 kim thu sóng Wifi và giao tiếp truyền thông Zigbee. Đáy
tủ gồm 1 dây nguồn lấy điện 3 pha vào, 1 dây lấy điện 3 pha cấp
cho phụ tải.


Tủ điện hoạt động như một thiết bị trung gian nằm giữu
nguồn cấp và phụ tải, nhiệm vụ đo đạc các thông số của nguồn
và dữ liệu điện tiêu thụ của phụ tải, hiển thị lên HMI gắn trên tủ
và gởi dữ liệu tới điện thoại thông minh, ngoài chức năng giám
sát, tủ còn có chức năng đóng cắt nguồn 3 pha đưa vào tải
thông qua nút ON, OFF cảm ứng và vật lý. Ngắt nguồn khi có sự
cố về pha.

Khi lắp đặt tủ nhân viên điện lực hoặc người dùng không
cần phải đến tận nơi lắp đặt để quan sát ,ghi chép số liệu cảu hệ
thống. Việc làm thay thế đó là chỉ cần mở điện thoại lên đăng
nhập vào thiết bị vậy là có thể theo dõi các thông số.


Ngoài việc xem xét quản lý các số liệu, trong đề tài này chúng
tôi sẽ tạo ra các dạng dữ liệu trực quan hơn, theo dõi dễ dàng
hơn đó là các đồ thị và biểu đồ. Người dùng có thể so sánh các
dữ liệu một cách đơn giản và nhanh chóng đưa ra các chuẩn
đoán chính xác, tin cậy.

1.2.

Mục tiêu

Đề tài hướng đến những mục tiêu sau:
Về học thuật:
- Tìm hiểu cũng như nắm được kiến thức về một số mạng truyền
thông như Zigbee, Ethernet, Internet, Modbus.
- Nghiên cứu thành công giải pháp truyền thông Internet trong
công nghiệp.
- Nắm được kiến thức qui trình thiết kế, thi công tủ điện.
- Tìm hiểu được cách sử dụng, làm việc với PLC và HMI.

- Vận dụng và rèn luyện lại kến thức về đo lường.
Về thực tiễn:
- Ứng dụng vào giám sát điều khiển lưới điện 3 pha dân dụng
hoặc lưới điện 3 pha công nghiệp công suất nhỏ, công suất nhỏ
hơn 7,5KW.
- Có thể điều khiển giám sát thông qua Smartphone ở mọi lúc,
mọi nơi.
- Hiển thị chính xác được các thông số của nguồn điện (điện áp,
dòng điện, công suất tiêu thụ, điện năng tiêu thụ, tần số, hệ số
công suất) trên màn hình HMI.

- Thời gian đáp ứng của việc điều khiển qua internet nhanh.
- Sản phẩm hoàn thành không những đạt các tiêu chuẩn về kỹ
thuật mà còn đạt tính thẩm mỹ.


1.3.

Nội dung nghiên cứu

Các nội dung chính sẽ được thực hiện trong đề tài.
Chương 1: Tổng quan
Giới thiệu chung về đề tài, và lý do chọn đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Trong chương này chúng tôi sẽ trình bày về lý thuyết cơ
bản của các giải pháp, các nội dung liên quan đến thiết bị được
sử dụng trong đề tài.
Chương 3: Tính toán thiết kế
Trong chương này sẽ trình bày về các thiết kế phần cứng,
thiết kế phần mềm và các thuật toán điều khiển.
Chương 4: Thi công hoàn thiện
Đây là chương trình bày các bước thực hiện phần cứng và
cài đặt, lập trình điều khiển.
Chương 5: Kết quả thực nghiệm
Chương 5 sẽ trình bày các kết quả đã đạt được trong quá

trình nghiên cứu và thi công đề tài.
Chương 6: Kết luận hướng phát triển
Đây là chương nêu ra những kết luận và đưa ra hướng phát
triển của đề tài.

1.4.

Giới hạn nội dung nghiên cứu

- Thiết bị dừng lại ở việc điều khiển và giám sát những nguồn
điện có công suất tiêu thụ ở mức trung bình cụ thể như trong hệ
thống điện dân dụng, nhà máy sản suất nhỏ.

- Các mạng truyển thông sử dụng trong đề tài bao gồm Modbus
RTU, Ethernet, Internet.
- Việc điều khiển giám sát bằng Smartphone thông qua App của
nhà sản xuất, không hỗ trợ điều khiển và giám sát trên internet
thông qua trang web.
- Màn hình giám sát chỉ hiển thị những thông số cơ bản của
nguồn điện như: Điện áp, dòng điện, công suất tiêu thụ, điện
năng tiêu thụ, tần số.

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Cơ sở lý thuyết điều khiển, bộ điều khiển khả trình
(PLC)
2.1.1. Lịch sử bộ điều khiển khả trình viết tắt PLC
(Programmable Logic Controller)
Bộ điều khiển khả trình hoặc PLC đã cách mạng hóa ngành
công nghiệp tự động hóa. Ngày nay, PLC có thể được tìm thấy từ
các thiết bị hiện đại trong nhà máy đến những máy móc cơ bản,
nhưng trước những năm 1968, bộ điều khiển khả trình (PLC)

thậm chí không tồn tại. Thay vào đó, những gì tồn tại là một loạt
các thách thức cần một giải pháp.
Để hiểu được lịch sử của PLC, trước tiên chúng ta phải dành
một chút thời gian để hiểu các vấn đề tồn tại trước khi xuất hiện
bộ điều khiển khả trình. Trước thời của PLC, cách duy nhất để
điều khiển máy móc là sử dụng relay. Relay hoạt động bằng cách
sử dụng một cuộn dây, khi được cấp năng lượng, tạo ra một lực
từ tính để kéo tiếp điểm về vị trí bật hoặc tắt một cách hiệu quả.
Khi relay bị mất điện, tiếp điểm sẽ nhả và đưa thiết bị về vị trí
bật hoặc tắt ban đầu. Ví dụ, nếu muốn điều khiển động cơ bật
hay tắt, ta có thể gắn tiếp điểm của relay giữa nguồn điện và
động cơ. Sau đó, ta có thể điều khiển động cơ hoạt động bằng

cách cung cấp năng lượng hoặc ngắt năng lượng vào cuộn dây
của relay. Nhưng khi một hệ thống lớn có rất nhiều động cơ chưa
kể đến việc các hệ thống nút nhấn và các tiếp điểm phụ để
khống chế việc vận hành, khi đó bắt đầu thấy một số vấn đề với
hệ thống điều khiển cơ điện này, nó trở nên vô cùng phức tạp và
cồng kềnh. Thậm chí có những yêu cầu hệ thống phúc tạp đến
mức khó có thể thiết kế và lắp đặt khi sử dụng các relay cơ học.


Vì vậy giải pháp là gì ? Chắc chắn đây là câu hỏi mà các kỹ sư
điện trước thời PLC đang phải vật lộn mỗi ngày.

Vào những năm 1960, bộ điều khiển khả trình (PLC) được phát
minh cho ngành sản xuất ô tô ở Mỹ được sử dụng để thay thế
các bảng điều khiển sử dụng relay cơ học. Trước sự phát triển
của PLC, hàng ngàn relay, bộ hẹn giờ, bộ giải mã và bộ điều
khiển vòng kín chuyên dụng đã được sử dụng để sản xuất ô tô.
Việc điều hành các quy trình sản xuất bằng cách nối lại các
relay và các bộ phận khác rất tốn thời gian và tốn kém. Năm
1968 GM Hydramatic đã đề ra một yêu cầu về giải pháp thay thế
cho hệ thống logic chuyển tiếp cũ. Bedford Associates đã giành
được hợp đồng và thiết kế PLC đầu tiên. Dick Morley, một trong
những nhà phát triển Modicon 084, được coi là 'cha đẻ' của PLC.

PLC Modicon 084 được thiết kế để được lập trình theo 'logic bậc
thang' giống như sơ đồ logic của relay mà nó đang thay thế.
Điều này làm cho việc sử dụng PLC sẽ dễ dàng hơn cho các kỹ
sư và kỹ thuật viên. Ngành công nghiệp ô tô vẫn là một trong
những ngành dùng PLC lớn nhất hiện nay.
Vào đầu những năm 1970, thông tin liên lạc giữa các PLC bắt
đầu phát triển. Modbus được giới thiệu là mạng truyền thông
công nghiệp đầu tiên. Mạng truyền thông này dựa trên kiến trúc
Master / Slave sử dụng tín hiệu để liên lạc giữa các trạm
Modbus. Giao tiếp ban đầu của nó chạy trên RS-232 nhưng các
phiên bản phát triển sau đó đã sử dụng RS-485 để cho phép liên
lạc nhanh hơn có thể kết nối với khoảng cách xa hơn. Tuy nhiên,

việc thiếu tiêu chuẩn hóa và thay đổi công nghệ khiến truyền
thông PLC trở nên khó khăn và bộc lộ nhiều bất cập
Vào năm 1980, General Electrical đã cố gắng chuẩn hóa việc
kết nối các thiết bị từ nhiều nhà sản xuất với Giao thức tự động
hóa sản xuất (MAP). Phần mềm lập trình PLC cũng được phát
triển để chạy trên máy tính cá nhân nhằm loại bỏ nhu cầu về


thiết bị đầu cuối lập trình chuyên dụng hoặc lập trình viên cầm
tay.
Trong những năm 1990, có ít giao thức truyền thông mới được
giới thiệu và tiêu chuẩn mới nhất thời điểm đó là (IEC 1131-3) đã

hợp nhất các ngôn ngữ lập trình PLC thành tiêu chuẩn quốc tế.
Các PLC cũng được lập trình bằng cách sử dụng khối chức năng,
danh sách hướng dẫn và văn bản có cấu trúc và PC bắt đầu thay
thế PLC trong một số ứng dụng.
PLC đã phát triển qua nhiều năm để bao gồm điều khiển
chuyển động, điều khiển quá trình, hệ thống điều khiển phân tán
(DCS) và kết nối mạng phức tạp. Khả năng xử lý dữ liệu và khả
năng giao tiếp của PLC tương đương với máy tính để bàn.

Hình 2. 1: Bộ điều khiển khả trình PLC

2.1.2. Ngôn ngữ lập trình PLC

Sơ đồ thang (Ladder Diagram)

Hình 2. 2: Sơ đồ ngôn ngữ bậc thang
Ladder Diagram (LD) là một loại ngôn ngữ lập trình PLC. Nó
còn được gọi là logic bậc thang. Ladder Diagram là ngôn ngữ lập
trình trực quan, do đó dễ học hơn các ngôn ngữ PLC khác.
Ladder Diagram tuân thủ tiêu chuẩn IEC 61131-3 cho các bộ
điều khiển logic khả trình, có nghĩa là nó được chính thức công
nhận là ngôn ngữ lập trình trên toàn thế giới. Với Ladder
Diagram, lập trình viên có thể lập trình bằng cách kết hợp các

biểu tượng để thực hiện các hành động cụ thể. Ladder Diagram
là một trong những loại ngôn ngữ lập trình PLC phổ biến nhất vì
nó được biết đến là trực quan, có các công cụ gỡ lỗi tốt và biểu
diễn tốt cho logic rời rạc. Một nhược điểm lớn của ngôn ngữ lập
trình Ladder Diagram là nó được coi là có cấu trúc dữ liệu kém vì
dữ liệu không được tổ chức tốt.
Biểu đồ chức năng tuần tự (Sequential Function Charts)


Hình 2. 3: Biểu đồ chức năng tuần tự