Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

NGUYỄN NĂNG TOẠI

HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ QUẢN LÝ
NĂNG LƯỢNG TỪ XA

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 05 năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

NGUYỄ N NĂNG TOẠI

HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ QUẢN LÝ
NĂNG LƯỢNG TỪ XA
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện
Mã số ngành: 60520202

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐINH HỒNG BÁCH
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 05 năm 2014


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS ĐINH HOÀNG BÁCH

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 03 tháng 05 năm 2014
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TT
1
2
3
4
5

Họ và tên
TS. Huỳnh Châu Duy
TS. Nguyễn Thanh Phương
TS. Hồ Văn Hiến
TS. Trương Việt Anh
TS. Võ Hoàng Duy

Chức danh Hội đồng

Chủ tịch
Phản biện 1
Phản biện 2
Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP. HCM
PHỊNG QLKH – ĐTSĐH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày 20 tháng 05 năm 2014

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Năng Toại. Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 16/10/1985. Nơi sinh: Hải Dương
Chuyên ngành: .Kỹ thuật điện. MSHV: 1241830037
I- Tên đề tài: Hệ Thống Quản Lý Và Giám Sát Năng Lượng Từ Xa.
II- Nhiệm vụ và nội dung:
Nhiệm vụ:
-

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

-

Nghiên cứu các chuẩn truyền thông phổ biến Modbus RTU, Modbus TCP/IP.

-

Thiết kế giao diện SCADA thu thập dữ liệu.

-

Nội dung.
Tổng quan về hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa.

-

Một số chuẩn và giao thức truyền thông ứng dụng trong hệ thống.

-

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.
Kết quả đạt được:

-

Ứng dụng phần mềm DAQFactory vào việc quản lý năng lượng và thu thập dữ
liệu.

III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: .......................................................................................

V- Cán bộ hướng dẫn: TS ĐINH HOÀNG BÁCH
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn
gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Năng Toại


ii

LỜI CÁM ƠN

Tơi xin chân thành cảm ơn TS.ĐINH HỒNG BÁCH – Trưởng Bộ Môn Kỹ
Thuật Điện Trường Đại Học Tơn Đức Thắng, người thầy đã hết lịng chỉ bảo,
hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức chuyên môn cũng như những kinh nghiệm

nghiên cứu trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ - Điện –
Điện tử, Phòng quản lý sau đại học của Trường Đại Học Công nghệ Tp.HCM đã
tạo những điều kiện tốt nhất về vật chất lẫn tinh thần để chúng tôi hoàn thành tốt
luận văn này.
Xin chân thành cám ơn đến tất cả Q Thầy, Cơ của Trường Đại Học Cơng
nghệ Tp.HCM đã giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức rất bổ ích và q báu
trong suốt q trình học tập cũng như nghiên cứu sau này.
Xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và đặc biệt là nhóm thực nghiệm chung
Trường Đại Học Công nghệ Tp.HCM dưới sự hướng dẫn của Thầy Đinh Hồng
Bách người ln giành những tình cảm sâu sắc nhất, giúp đỡ và khuyến khích tơi để
cùng vượt qua mọi khó khăn trong suốt q trình thực hiện luận văn này.
Xin cảm ơn Gia đình đã tạo mọi điều kiện để tôi yên tâm học tập tốt trong
suốt thời gian vừa qua.
Xin cảm ơn tất cả bạn bè thân thuộc đã động viên, tạo điều kiện thuận lợi và
hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong quá trình học tập, cơng tác cũng như trong suốt thời
gian thực hiện luận văn.

Nguyễn Năng Toại


iii

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.


iv

ABSTRACT
Energy is a vital element of life, and even more important in the production
and sales of businesses. The problem posed for managers is how to manage and
buildings and factories, the most efficient enterprises to reduce costs, save energy at
maximum level, to facilitate the operation of the business business. The use of
energy saving and efficiency is not synonymous with cutting energy deficit or
whether we do not use that energy to properly understand that the use of energy
saving and efficiency is the application of management practices and techniques to

reduce losses, reduce energy consumption of the vehicle, while maintaining
equipment needs, set objectives for the production and life. Optimal current plan is
to establish automated system monitoring and energy management.
System monitoring and energy management will oversee the entire energy
system of the building, factories or industrial parks to enhance work efficiency,
modernization, power consumption saving, environmental protection school.
System monitoring and energy management perform surveillance system
tracking device power through the main specifications of the power supply as: kW,
kVA, kVAr ... fossil energy systems, such as gasoline, oil, gas .... these are the
parameters that need to be closely monitored because there is a huge impact to the
operation of all electrical appliances or industrial buildings. Good management of
this parameter means that the operating costs of the building, manufacturing
systems improve efficiency equipment. These parameters are measured by
measuring the power of digital networking, parameters shown on the computer
screen and data storage. In the framework of this will study the structure of a
management system and remote power monitoring .


v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CÁM ƠN ..............................................................................................................ii
TÓM TẮT.................................................................................................................. iii
MỤC LỤC ................................................................................................................... v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ viii
DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................... ix
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................... x
Chương 1:
TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ............................................................ 1

1.1 Lý do chọn đề tài trang ................................................................................ 1
1.2 Giới thiệu một số hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa trong
thực tế ......................................................................................................... 4
1.2.1 Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa
qua sóng vơ tuyến RF .......................................................................... 4
1.2.2 Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua bộ truyền tải tín
hiệu thơng qua đường dây điện ........................................................... 6
1.3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài .................................................................... 7
1.4 Mục tiêu của đề tài ...................................................................................... 8
1.5 Nội dung nghiên cứu .................................................................................. 8
Chương 2:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................................... 9
2.1 Cấu trúc truyền thông .............................................................................. 9
2.2 Các tiêu chuẩn truyền dẫn trong công nghiệp ......................................... 11
2.2.1 Giới thiệu về truyền dẫn qua chuẩn RS-232 ...................................... 11
2.2.2 Chuẩn truyền dẫn RS-485 .................................................................. 12
2.3 Giao thức truyền thông ........................................................................... 18
2.3.1 Giao thức truyền thông ngang hàng .................................................... 19
2.3.2 Giao thức mạng Ethernet .................................................................... 19
2.3.3 Giao thức mạng Modbus .................................................................... 20
2.3.3.1 Khái niệm tổng quát .................................................................... 20
2.3.3.2 Phân loại ...................................................................................... 21
2.3.3.3 Nguyên tắc hoạt động của Modbus RTU .................................... 22
2.3.3.4 Nguyên tắc hoạt động của Modbus TCP/IP ................................. 25
2.3.3.5 Ứng dụng của giao thức Modbus ................................................. 26


vi

Chương 3.

CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG MẠNG CỦA MÔ HÌNH ........... 28
3.1 Các thành phần và cấu trúc của hệ thống giám sát và quản lý
năng lượng từ xa ………………………………………………………….......28
3.1.1 Cấu trúc hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa ..................... 29
3.1.2 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống…………………………………..30
3.2 Hệ thống mạng Master-Slave .................................................................... 31
3.3 Master - DAQFactory ................................................................................ 31
3.3.1 Giới thiệu về DAQFactory ................................................................... 31
3.3.2 Các chức năng chính của DAQFactory ............................................... 31
3.4 Đồng hồ điện đa năng Selec EM-368C ....................................................... 32
3.4.1 Giới thiệu về EM-368C ....................................................................... 32
3.4.2 Đặc tính của EM-368C ........................................................................ 33
3.4.3 Khả năng kết nối .................................................................................. 34
3.4.4 Bảng địa chỉ các tham số chính cho mạng Modbus ............................ 35
3.4.5 Các kiểu đấu dây ................................................................................. 36
3.5 PLC S7-1200 .............................................................................................. 38
3.5.1 Tổng quan PLC S7-1200 ..................................................................... 38
3.5.2 Tính năng của PLC S7-1200 ............................................................... 39
3.5.3 Modbus trong PLC S7-1200 ................................................................ 40
3.6. Bộ chuyển đổi RS-232/422/485↔TCP/IP ................................................. 42
3.6.1 Các tính năng của thiết bị .................................................................... 42
3.6.2 Chế độ hoạt động ................................................................................. 43
3.6.3 Chức năng các cổng kết nối ................................................................. 43
3.6.4 Ứng dụng tiêu biểu ............................................................................... 45
3.7 Hub mạng .................................................................................................... 45
Chương 4:
THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TỪ XA
4.1 Thiết kế phần cứng .................................................................................... 47
4.2 Thiết kế phần mềm ..................................................................................... 48
4.2.1 Thiết lập kiểu truyền thông ................................................................ 49

4.2.1.1 Thiết lập cho đồng hồ EM-368C .................................................. 49
4.2.1.2 Thiết lập cho PLC S7-1200 ......................................................... 50
4.2.2 Thiết lập Channels .............................................................................. 51
4.2.3 Thiết kế giao diện ................................................................................ 54


vii

4.2.4 Thể hiện thông số qua đồ thị ............................................................... 55
4.2.5 Thiết lập cảnh báo Alarm .................................................................... 56
4.2.6 Lập bảng lưu trữ dữ liệu ...................................................................... 59
Chương 5:
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI…………………….64
5.1 Kết luận ...................................................................................................... 64
5.2 Hạn chế của đề tài ........................................................................................ 65
5.3 Hướng phát triển của đề tài ......................................................................... 65
Tài liệu tham khảo………………………………………………………………...66


viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
PLC - Power Line Communication: truyền thông trên đường dây điện
SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition: hệ thống điều khiển giám sát
và thu thập dữ liệu
OSI - Open Systems Interconnection: kết nối các hệ thống mở
PLC - Programmable Logic Controller: thiết bị điều khiển lập trình được
LAN - Local Area Network: mạng máy tính cục bộ
WAN - Wide Area Network: mạng diện rộng
CRC - Cyclic Redundancy Check: mã phát hiện lỗi

PC - Personal Computer: máy tính cá nhân


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1: Các thông số quan trọng của RS-485
Bảng 2: Thông số của các phương pháp
Bảng 3: Các mã chức năng
Bảng 4: Địa chỉ thanh ghi theo chuẩn Modbus
Bảng 5: Địa chỉ các chức năng chính của đồng hồ EM-368C
Bảng 6: Địa chỉ modbus TCP của PLC S7-1200
Bảng 7: Thiết lập các thơng số chính cho dữ liệu.


x

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua sóng vơ tuyến RF
Hình 1.2: Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa sử dụng hệ thống dây điện
có sẵn
Hình 2.1: Mơ hình OSI cho giao thức truyền thơng
Hình 2.2: Ghép nối trực tiếp
Hình 2.3: Sơ đồ bộ kích thích (driver) và bộ thu (receiver) RS-485
Hình 2.4: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485
Hình 2.5: Định nghĩa một tải đơn vị
Hình 2.6: Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn
Hình 2.7: Cấu hình mạng RS485
Hình 2.8: Dây xoắn đơi
Hình 2.9: Cấu hình mạng RS-485 sử dụng 4 dây

Hình 2.10: Các phương pháp chặn đầu cuối RS-485
Hình 2.11: Giao thức Modbus tương ứng với lớp 7 của mơ hình OSI
Hình 2.12: Kết nối dây home run so với Modbus
Hình 2.13: Cấu trúc kết nối
Hình 3.1: Quy trình hoạt động của hệ thống
Hình 3.2: Cấu trúc hệ thống quản lý và giám sát năng lượng
Hình 3.3: Mơ phỏng các chức năng chính của DAQFactory
Hình 3.4 : Đồng hồ điện đa năng EM-368C
Hình 3.5: Sơ đồ kết nối đồng hồ EM-368C trong mạng điện 3 pha, 4 dây
Hình 3.6: Sơ đồ kết nối đồng hồ EM-368C trong mạng điện 3 pha, 3 dây
Hình 3.7: Sơ đồ kết nối đồng hồ EM-368C trong mạng điện 3 pha
Hình 3.8: Sơ đồ kết nối đồng hồ EM-368C trong mạng 1 pha
Hình 3.9: Sự kết hợp của HMI, PLC và phần mềm
Hình 3.10: CPU và các module mở rộng
Hình 3.11: Cổng kết nối Ethernet


xi

Hình 3.12: Bộ chuyển đổi RS-232/422/485↔TCP/IP
Hình 3.13: Sơ đồ kết nối bộ ATC-1000 với PC
Hình 3.14: Sơ đồ kết nối bộ ATC-1000 chuẩn RS-422
Hình 3.15: Sơ đồ kết nối bộ ATC-1000 chuẩn RS-485
Hình 3.16: Hub mạng D-Link
Hình 4.1: Thi cơng hệ thống
Hình 4.2: Giao diện khởi động của DAQFactory
Hình 4.3: Giao diện thiết lập truyền thơng
Hình 4.4: Thiết lập kiểu truyền thơng cho đồng hồ EM-368C
Hình 4.5: Thiết lập kiểu truyền thơng cho PLC S7-1200
Hình 4.6: Tạo thơng số các biến

Hình 4.7: Các tham số đã được thiết lập
Hình 4.8: Đồ thị phụ tải và các thông số của đồng hồ đo
Hình 4.9: Cài đặt điều kiện báo động
Hình 4.10: Giao diện xử lý lỗi
Hình 4.11: Chọn các tham số để lưu trữ dữ liệu


1

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. Nắm được quy luật hoạt động và kiểm
soát nguồn năng lượng đang sử dụng là điều kiện tiên quyết giúp doanh nghiệp tăng
khả năng cạnh tranh và tối ưu hóa sản xuất. Tuy nhiên đang hiện hữu một thực tế
nguồn năng lượng truyền thống đang cạn kiệt dần tỷ lệ thuận với tốc độ phát triển
kinh tế.
Với công nghệ lạc hậu, thiết bị cũ kỹ, ý thức tiết kiệm trong sử dụng năng
lượng của từng đơn vị và cá nhân trong xã hội chưa thành tiềm thức, tự giác là các
nguyên nhân dẫn đến hiệu quả sử dụng năng lượng của nước ta còn rất thấp. Hiệu
suất sử dụng năng lượng trong các nhà máy nhiệt điện chỉ đạt 28-32% (thấp hơn
mức trung bình của thế giới chừng 10%). Hiệu suất các lị hơi cơng nghiệp chỉ đạt
60% (thấp hơn mức trung bình của thế giới khoảng 20%). Trong sản xuất công
nghiệp (hộ tiêu thụ lớn nhất, chiếm hơn 50% năng lượng phát ra), suất tiêu hao năng

lượng thấp hơn nhiều không chỉ so với các nước tiên tiến mà so ngay với cả các
nước trong khu vực.[11]
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 ôi nhiễm môi trường nghiêm trọng. Vì vậy việc kiểm sốt và
sử dụng hiệu quả là vấn đề cấp thiết.
Đối với nguồn năng lượng điện hiện nay công tác kiểm tra mức tiêu thụ điện
năng của khách hàng vẫn sử dụng phương pháp thủ công. Phương pháp này bộc lộ
khá nhiều nhược điểm như: mất nhiều thời gian, trong một thời điểm khơng thể
kiểm sốt được mức tiêu thụ điện năng của các hộ tiêu thụ, khơng kiểm sốt được


2

mức tiêu thụ ở các pha do đó gây khó khăn cho việc xây dựng kế hoạch cân bằng
pha trong tương lai, khó phát hiện được các hành vi gian lận điện năng...
Vì vậy, để đáp ứng nhu cầu mang tính thực tiễn cao này nên tơi đã chọn đề tài “ Hệ
thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa”.
-

Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng là gì?

Quản lý năng lượng là việc tổ chức thực hiện sử dụng năng lượng một cách tiết
kiệm và hiệu quả nhằm đạt được lợi nhuận cao nhất (chi phí thấp nhất) và nâng cao
năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp. Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả
không đồng nghĩa với việc cắt giảm năng lượng dù bị thiếu hụt hoặc chúng ta không
sử dụng năng lượng mà phải hiểu đúng rằng sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu
quả là việc áp dụng các biện pháp quản lý và kỹ thuật nhằm giảm tổn thất, giảm
mức tiêu thụ năng lượng của phương tiện, thiết bị mà vẫn đảm bảo nhu cầu, mục
tiêu đặt ra đối với quá trình sản xuất và đời sống.

-

Tầm quan trọng của Quản lý năng lượng.

Quản lý năng lượng là chìa khóa để tiết kiệm năng lượng trong tổ chức của bạn.
Các tổ chức thương mại, cơng nghiệp và chính phủ, trong những năm gần đây đang
phải chịu những áp lực to lớn về kinh tế và môi trường. Việc nâng cao sức cạnh
tranh về kinh tế trên thị trường toàn cầu và đáp ứng các tiêu chuẩn ngày càng gia
tăng về môi trường nhằm giảm ơi nhiễm mơi trường khơng khí và nguồn nước đã là
các nhân tố ảnh hưởng chính trong hầu hết các quyết định đầu tư về chi phí vốn và
chi phí vận hành trong thời gian gần đây đối với tất cả các tổ chức. Quản lý năng
lượng đã trở thành một cơng cụ chính giúp cho các tổ chức đạt được những mục
tiêu quan trọng nói trên để duy trì sự tồn tại trong ngắn hạn và đạt được thành cơng
trong dài hạn của mình.
Quản lý năng lượng giúp cải thiện chất lượng môi trường. Việc sử dụng năng
lượng trong thương mại và công nghiệp là nguyên nhân gây ra khoảng 45% cacbon
điơxit thốt ra từ việc đốt cháy các năng lượng hóa thạch và khoảng 70% sunfur
điơxit thốt ra từ các nguồn cố định. Thơng qua Quản lý năng lượng có thể giảm


3

một cách đáng kể lượng cacbon điôxit và sunfur điôxit trong khí quyển và giúp làm
giảm sự nóng lên của toàn cầu và mưa axit.[11]
Quản lý năng lượng giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch đang ngày
càng trở nên cạn kiệt. Khi tiêu thụ nhiều năng lượng doanh nghiệp sẽ phải đối mặt
với tình trạng thiếu nguồn cung cấp nghiêm trọng kèm theo nguy cơ tăng giá năng
lượng dẫn đến ảnh hưởng đến lợi nhuận của tổ chức, bằng việc quản lý năng lượng
doanh nghiệp có thể giảm nguy cơ này bằng cách giảm và kiểm soát nhu cầu năng
lượng.

Quản lý năng lượng nhằm hướng đến thực hiện chính sách sử dụng năng lượng
tiết kiệm và hiệu quả tại cơ sở, nhà máy. Từ đó quản lý, theo dõi được tình hình tiết
kiệm điện trên dây truyền sản xuất giúp cho doanh nghiệp từng bước kéo giảm hiệu
quả việc đầu tư vào giá thành cho sản phẩm.
-

Lợi ích đem lại khi sử dụng hệ thống giám sát và quản lý năng lượng.

Giảm thời gian, chi phí nhân công để ghi lại dữ liệu từ các đồng hồ cơ, nhập vào
file excell tạo báo cáo mỗi tháng.
Giảm được sơ sót trong q trình thu thập dữ liệu bằng tay, tăng độ chính xác
trong do lường.
Kiểm sốt dữ liệu điện năng liên tục 24 giờ /7 ngày tại bất kỳ trạm làm việc nào.
Khả năng đáp ứng nhanh với bất kỳ sự cố điện nào thông qua các cảnh báo,
giảm được thời gian dừng máy.
Giảm thời gian xử lý sự cố do dữ liệu được thu thập đầy đủ, chụp được dạng
sóng của nguồn điện khi sự cố xảy ra.
Ngăn ngừa khả năng bị điện lực phạt do cosφ thấp nhờ các báo động.
Theo dõi toàn tải của nhà xưởng theo thời gian thực, hữu ích cho việc lên kế
hoạch tiết kiệm năng lượng.
Có khả năng tạo các báo cáo về điện năng tiêu thụ ở dạng bảng, dạng đồ thị,
xuất ra file Excell.
Kiểm tra hóa đơn điện lực thông qua báo cáo về năng lượng sử dụng.


4

Xác định các nhiễu, sóng hài là do nguồn điện lực xông vào hay do các thiết bị
của nhà máy gây ra. Giảm thời gian xác định nguyên nhân.
Xác định loại nhiễu nào: tăng/ giảm điện áp, sóng hài, xung điện áp…

Duy trì mức tải cho thiết bị hợp lý, tránh trường hợp non hay quá tải.
Đưa ra quyết định đầu tư cho các thết bị cấp nguồn chính xác khi cần mở rộng
nhà máy.
Kiểm soát nguồn năng lượng cung cấp cho dây chuyền sản xuất. Phục vụ công
tác kiểm toán nguồn năng lượng.

1.2 Giới thiệu một số hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa trong
thực tế
1.2.1 Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua sóng vơ tuyến RF

Hình 1.1: Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua sóng vơ tuyến RF [12]
Hệ thống đọc chỉ số cơng tơ từ xa bằng sóng vơ tuyến RF bao gồm các khối chức
năng sau:
-

Cơng tơ điện tử có tích hợp tính năng thu phát tín hiệu vơ tuyến RF lắp tại
các hộ khách hàng sử dụng điện, có chức năng đo đếm, lưu trữ năng lượng
vào bộ nhớ không dây và truyền về bộ thu thập tín hiệu di động khi nhận
được lệnh.

-

Bộ thu thập tín hiệu di động (Handheld Unit) bao gồm: máy tính cầm tay
(Handheld Unit) được tích hợp module thu phát tín hiệu vơ tuyến RF bên


5

trong, với chương trình thu thập số liệu do Cơng ty tự phát triển. Trên máy
tính cầm tay sẽ giúp người ghi ra lệnh đọc chỉ số công tơ trong phạm vi phủ

sóng dựa vào danh sách và số liệu khách hàng sử dụng điện được kết xuất từ
cơ sở dữ liệu kinh doanh điện năng. Toàn bộ dữ liệu ghi được sẽ được ghép
nối vào cơ sở dữ liệu kinh doanh điện năng một cách tự động mà không cần
phải tốn nhiều thao tác thủ công như trước đây.
-

Giải pháp này có các ưu điểm:
Khơng phụ thuộc vào khoảng cách, khơng phụ thuộc vào vị trí điểm đầu,
điểm cuối khi có sự thay đổi về vị trí lắp đặt cơng tơ, hay vị trí trung tâm thì
khơng bị thay đổi về thiết bị.
Thiết bị modem gọn nhẹ, thông dụng, dễ dàng lắp kèm với cơng tơ.
Cước phí tính theo lưu lượng (KB) thấp, rất phù hợp với hệ thống không yêu
cầu truyền theo thời gian thực.

-

Nhược điểm: Do sử dụng đường truyền không dây, truyền qua mạng di động,
nên tín hiệu có thể bị ảnh hưởng khi thời tiết xấu, do đó cần cân nhắc chọn
dịch vụ của nhà cung cấp mạng có mật độ phủ sóng rộng, chất lượng tín hiệu
tốt.


6

1.2.2 Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua bộ truyền tải tín
hiệu thơng qua đường dây điện.

Hình 1.2: Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa sử dụng hệ thống dây điện
có sẵn PLC (Power Line Communication ) [13]
Công nghệ đo đếm sử dụng công tơ kỹ thuật số truyền thông trên lưới điện,

sử dụng hệ thống dây điện sẵn có để thu thập và xử lý dữ liệu 01 Concentrator dùng
cho 1000 công tơ điện, với đầu tư ban đầu rất khiêm tốn, q trình lắp đặt dễ dàng
và nhanh chóng. Dữ liệu từ các thiết bị này được truyền về máy tính trung tâm đặt
tại các Cơng ty điện lực các huyện, thành phố. Với thiết bị thu thập dữ liệu cầm tay
(HHU) giúp nhân viên quản lý ngành điện biết đựợc các thông số từ công tơ điện
của khách hàng, đồng thời thiết bị HHU còn được dùng để lập trình và đọc các số
liệu từ các thiết bị tập trung để đưa vào máy tính. Với bộ server chứa các phần mềm
cần thiết cho quá trình vận hành hệ thống. Nó thu nhận dữ liệu từ các bộ tập trung
để sử dụng cho các mục đích quản lý của ngành điện.
Nhận xét: Thiết bị phần cứng còn hạn chế trên thị trường. Các thiết bị vẫn trong thời
gian thử nghiệm, chưa phân phối rộng rãi trên thị trường..


7

Phạm vi nghiên cứu của đề tài

1.3

Mặc dù các hệ thống có khác nhau nhưng nguyên lý và cấu trúc để hình thành
nên hệ thống quản lý và giám sát năng lượng là giống nhau.
Mỗi hệ thống bao gồm: thiết bị đo điện năng, mạng truyền thông, phần mềm
quản lý và thu thập dữ liệu, trung tâm lưu trữ dữ liệu.
Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào 2 yếu tố chính sau. Yếu tố thứ nhất độ
chính xác của thiết bị đo. Nếu thiết bị đo có chất lượng tốt, đồng nghĩa với sai số đo
đạc nhỏ, thì việc xác định phụ tải tiêu thụ điện sẽ chính xác hơn. Yếu tố thứ hai là
giải pháp lựa chọn phương thức truyền thơng theo mơ hình thực tế vì vậy đề tài sẽ:
-

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

-

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

-

Thiết kế giao diện SCADA để thu thập và quản lý dữ liệu bằng phần mềm
DAQFactory, tích hợp giám sát dây truyền trong xí nghiệp.


8

Mục tiêu của đề tài

1.4
-

Tìm các tài liệu và nghiên cứu sách vở có sẵn trên cơ sở chuẩn RS-485, hiểu
rõ các cách thức truyền dẫn cũng như cấu tạo của cổng RS-485

-

Tìm hiểu bộ chuyển đổi TCP/IP sang RS-232/422/248

-

Truyền thơng Modbus, các đặc tính vật lý, ngun tắc mã hóa dữ liệu, kiểm

tra lỗi, cách quy định địa chỉ…

-

Phần mềm DAQFactory cài đặt và cách sử dụng trong data sheet.

-

Thiết bị đo lường, điều khiển cho phù hợp để sử dụng trong đề tài như đồng
hồ điện, cảm biến lưu lượng, cảm biến siêu âm, PLC…

-

Chế tạo mơ hình mơ phỏng q trình, kết nối vận hành hệ thống.

-

Ưu nhược điểm, hướng phát triển của đề tài

1.5

Nội dung nghiên cứu

Để đạt được các mục tiêu trên cần giải quyết các vấn đề sau:
-

Tổng quan về hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa.

-

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


9

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), nó
chịu sự điều khiển của các thiết bị cấp trên nó - cấp điều khiển. Các thiết bị cấp điều
khiển như: PLC, PC…thì chịu sự điều khiển và giám sát ở cấp cao hơn…Và cứ thế
một hệ thống trong cơng nghiệp thơng thường có 5 cấp.
Điều cần quan tâm ở đây là việc liên lạc và truyền tín hiệu giữa các thiết bị
trong các cấp được thực hiện nhờ các đường dây bus tín hiệu ( bao gồm 4 loại bus:
bus trường, bus hệ thống, mạng xí nghiệp và mạng cơng ty). Để tín hiệu truyền
được trên các bus thì thường có những tiêu chuẩn để truyền. Tiêu chuẩn này được
gọi là giao thức truyền thông.
Ứng với mỗi đường dây bus cho việc kết nối giữa 2 cấp thì có một giao thức
truyền thơng riêng đối với bus trường thông thường người ta sử dụng các giao thức:

profibus, modbus…
Tuy các giao thức truyền thông giữa các lớp là khác nhau nhưng chúng đều
có chung một đặc điểm là tn theo một mơ hình giao thức nhất định. Đó là mơ
hình OSI ( Open System Interconnect).
Mơ hình OSI quy định trình tự để truyền một đoạn tin giữa 2 thiết bị.


10

7. Application

7. Application

6. Presentation

6. Presentation

5. Session

5. Session

4. Transport

4. Transport

3. Nerwork

3. Nerwork

2. Link

2. Link

1. Physical

1. Physical
Message
Network bus

Hình 2.1: Mơ hình OSI cho giao thức truyền thông.
Đoạn tin được truyền sẽ đi qua 7 lớp từ máy gửi đi đưa đến bus truyền thơng,
sau đó đoạn tin sẽ được nhận từ máy tương ứng. Các lớp trong mơ hình giúp xác
định những đặc tính cần thiết cho đoạn tin truyền.
Ở Việt Nam hiện nay thông thường để liên lạc giữa cấp trường và cấp điều
khiển các nhà máy thường sử dụng giao thức mạng truyền thơng Profibus. Ngồi
giao thức Profibus thì giao thức Modbus cũng là một sự lựa chọn khá tốt cho việc
truyền thông ở bus trường. Trong bài viết này sẽ tập trung vào giao thức mạng
truyền thông Modbus.[7]
Modbus là một protocol phổ biến bậc nhất được sử dụng hiện nay cho nhiều
mục đích. 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
cơng nghiệp tiếp tục hỗ trợ Modbus trong các sản phẩm thế hệ mới. Mặc dù các bộ
phân tích, lưu lượng kế, hay PLC đời mới có giao diện kết nối khơng dây, Ethernet
hay fieldbus, Modbus vẫn là protocol mà các nhà cung cấp lựa chọn cho các thiết bị
thế hệ cũ và mới.