Đồ án: Giám Sát Điện Năng Tiêu Thụ Toà Nhà Sử Dụng Modbus TCP/IP

Đồ án tốt nghiệp giám sát điện năng tiêu thụ toà nhà qua Modbus TCP/IP. Giải pháp quản lý năng lượng hiệu quả, tiết kiệm chi phí, dễ dàng triển khai và theo dõi.

• Tác giả: Hoàng Quốc Phong
• Người hướng dẫn: ThS. Phạm Duy Dưởng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hoá
• Đề tài: Giám sát điện năng tiêu thụ toà nhà sử dụng truyền thông Modbus TCP/IP
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN
• NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN
• TÓM TẮT
• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
• LỜI NÓI ĐẦU
• CAM ĐOAN
• DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. Mục tiêu đề tài
• 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 3. Phương pháp nghiên cứu
• 4. Kế hoạch nghiên cứu
• 5. Nội dung đề tài
• 1. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TÒA NHÀ
• 1.1. Tìm hiểu về hệ thống giám sát tòa nhà BMS
• 1.1.1. Tổng quát về hệ thống BMS
• 1.1.2. Các đối tượng quản lý của hệ thống BMS
• 1.1.3. Cấu trúc của hệ thống BMS
• 1.1.4. Tính năng và lợi ích của việc hệ thống BMS nói chung và PMS nói riêng
• 1.1.4.1. Tính năng cơ bản của hệ thống BMS và PMS
• 1.1.4.2. Lợi ích của hê thống BMS và PMS
• 1.2. Tổng quan về các phương pháp giám sát điện năng tiêu thụ tòa nhà
• 1.2.1. Mục tiêu giải quyết vấn đề
• 1.2.2. Phương pháp thủ công
• 1.2.3. Phương pháp giám sát điện năng bằng thiết bị thông minh (Smarthome)
• 1.2.4. Phương pháp giám sát điện năng bằng PLC S7 1200 và truyền thông Modbus TCP/IP
• 1.3. Lựa chọn phương pháp tối ưu
• 1.4. Chức năng và tầm quan trọng của hệ thống giám sát điện năng tòa nhà
• 1.5. Các thông số quan trọng trong giám sát điện năng tòa nhà
• 2. Chương 2: TỔNG QUAN VỀ PLC S7-1200, TIA PORTAL, TRUYỀN THÔNG MODBUS TCP/IP
• 2.1. Giới thiệu về PLC S7-1200
• 2.1.1. Tổng quan PLC S7-1200
• 2.1.2. Các thành phần của PLC S7-1200
• 2.1.3. Tính năng nổi bật
• 2.1.4. Lập trình
• 2.1.5. Ứng dụng của PLC Siemens S7 – 1200
• 2.2. Phần mềm TIA PORTAL
• 2.2.1. Tổng quan về phần mềm
• 2.2.2. Các thành phần trong bộ cài TIA PORTAL
• 2.3. Phần mềm thiết kế giao diện Web Server – Node Red
• 2.4. Các chuẩn giao thức
• 2.4.1. Giao thức Modbus TCP/IP
• 2.4.1.1. Tổng quan về Mobus TCP/IP
• 2.4.1.2. Cách thức hoạt động
• 2.4.2. Giao thức Ethernet
• 2.4.2.1. Tổng quan về Ethernet trong công nghiệp
• 2.4.2.2. Cấu trúc và cách thức hoạt động của Ethernet
• 2.4.3. Chuẩn giao tiếp UART
• 2.4.4. Chuẩn giao tiếp SPI
• 2.4.5. Chuẩn giao tiếp I2C
• 3. Chương 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
• 3.1. Sơ đồ tổng thể hệ thống
• 3.2. Thiết kế hệ thống
• 3.3. Mô hình tổng quan hệ thống
• 3.4. Các thiết bị trong hệ thống
• 3.4.1. Bộ lập trình PLC S7 1200
• 3.4.2. Bộ điều khiển RTU
• 3.4.3. Bộ điều khiển PLC
• 3.4.4. Vi điều khiển Arduino Uno
• 3.4.5. Module Ethernet ENC28J60
• 3.4.6. Module đo điện AC đa năng PZEM-004T
• 3.4.6.1. Chức năng của module
• 3.4.6.2. Thông số kỹ thuật
• 3.4.6.3. Địa chỉ các thanh ghi
• 3.5. Nguyên lí hoạt động
• 3.6. Tính chọn Aptomat
• 3.7. Relay trung gian
• 3.7.1. Nguyên lí hoạt động
• 3.8. Sơ đồ nối dây của Aduino với module cảm biến dòng PZEM 004T
• 3.9. Sơ đồ nối dây của Arduino với Module Ethernet ENJ28J60
• 3.10. Sơ đồ bố trí các thiết bị trong các trạm Client
• 3.11. Sơ đồ đi dây của toàn bộ hệ thống
• 4. Chương 4: LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
• 4.1. Bảng phân công đầu vào, đầu ra
• 4.1.1. Bảng phân công đầu vào đầu ra hai trạm Client
• 4.1.2. Bảng phân công đầu vào và đầu ra trạm Server
• 4.2. Lưu đồ thuật toán hệ thống
• 4.2.1. Lưu đồ thuật toán trên PLC Server
• 4.2.2. Lưu đồ thuật toán trên PLC Client
• 4.2.3. Lưu đồ thuật toán chương trình con gửi dữ liệu từ PLC Client lên PLC Server
• 4.2.4. Lưu đồ thuật toán chương trình con nhận dữ liệu từ PLC Server
• 4.2.5. Lưu đồ thuật toán kiểm tra lỗi
• 4.2.6. Lưu đồ thuật toán trên Arduino
• 4.3. Chương trình điều khiển
• 4.3.1. Arduino đọc tín hiệu từ module cảm biến dòng PZEM 004T
• 4.3.2. Chương trình giao tiếp với module ethernet ENJ28J60
• 4.3.3. Chương trình giao tiếp PLC Client với Arduino
• 4.3.4. Chương trình giao tiếp giữa PLC Server và PLC Client
• 4.3.5. Xử lý tín hiệu Analog
• 4.3.6. Thiết lập giao diện giám sát trên Node red
• 4.3.7. Thiết kế giao diện giám sát SCADA
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 1. Kết quả đạt được
• 2. Tính mới của đề tài
• 3. Tính an toàn và liên quan đến vấn đề môi trường toàn cầu
• 4. Tính kế thừa
• 5. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giải pháp Giám Sát Điện Năng Toà Nhà Modbus TCP IP là gì

Trong bối cảnh chi phí năng lượng leo thang, việc quản lý năng lượng toà nhà hiệu quả trở thành ưu tiên hàng đầu. Giải pháp giám sát điện năng toà nhà sử dụng giao thức Modbus TCP/IP là một phương pháp tiên tiến, cho phép thu thập và phân tích dữ liệu tiêu thụ điện một cách tự động và chính xác. Khác với các phương pháp thủ công, hệ thống này sử dụng mạng Ethernet hiện có để kết nối các thiết bị đo lường thông minh như công tơ điện tử Modbus về một trung tâm điều khiển. Nghiên cứu "Giám sát điện năng tiêu thụ toà nhà sử dụng truyền thông Modbus TCP/IP" (Đại học Sư phạm Kỹ thuật Đà Nẵng, 2022) đã khẳng định tính khả thi và hiệu quả của giải pháp này trong việc giảm chi phí vận hành và nâng cao hiệu suất sử dụng thiết bị. Hệ thống không chỉ cung cấp dữ liệu thời gian thực về điện áp, dòng điện, công suất mà còn là nền tảng cho việc tối ưu hóa tiêu thụ điện và xây dựng các hệ thống tự động hóa toà nhà (BMS) phức tạp hơn. Việc áp dụng công nghệ này giúp các nhà quản lý đưa ra quyết định dựa trên dữ liệu, từ đó lập kế hoạch bảo trì và đầu tư hiệu quả, hướng tới mục tiêu tiết kiệm năng lượng cho toà nhà một cách bền vững.

1.1. Tổng quan về hệ thống quản lý năng lượng toà nhà PMS

Hệ thống Giám sát Năng lượng (Power Monitoring System - PMS) là một thành phần cốt lõi trong Hệ thống Quản lý Tòa nhà (BMS). Mục tiêu chính của PMS là theo dõi, đo lường và phân tích các thông số điện năng trong toàn bộ công trình. Một hệ thống PMS cơ bản bao gồm ba cấp: cấp chấp hành (cảm biến, đồng hồ điện Modbus), cấp điều khiển (PLC, bộ điều khiển) và cấp giám sát (phần mềm SCADA, Web Server). Bằng cách thu thập dữ liệu liên tục, PMS cho phép thực hiện phân tích phụ tải điện, phát hiện các khu vực tiêu thụ bất thường và giám sát chất lượng nguồn điện. Theo đề tài nghiên cứu của Hoàng Quốc Phong và Nguyễn Thanh Phát, việc tích hợp PMS giúp "giảm chi phí vận hành, nâng cao hiệu quả sử dụng máy móc, thiết bị". Điều này chứng tỏ PMS không chỉ là công cụ đo đếm mà còn là một giải pháp quản trị thông minh, giúp tối ưu hóa tiêu thụ điện và đảm bảo an toàn vận hành.

1.2. Tại sao giao thức Modbus TCP IP là lựa chọn tối ưu

Modbus TCP/IP là một biến thể của giao thức Modbus, hoạt động trên nền tảng mạng Ethernet phổ biến. Sự lựa chọn này mang lại nhiều lợi thế vượt trội. Thứ nhất, nó tận dụng được cơ sở hạ tầng mạng LAN sẵn có trong hầu hết các toà nhà hiện đại, giúp tiết kiệm chi phí lắp đặt. Thứ hai, tốc độ truyền dữ liệu của Ethernet (10/100 Mbps) cao hơn nhiều so với các chuẩn truyền thông nối tiếp như Modbus RTU, đảm bảo việc cập nhật dữ liệu gần như tức thời. Thứ ba, Modbus TCP/IP không bị giới hạn về khoảng cách địa lý như các giao thức khác, cho phép giám sát các toà nhà quy mô lớn hoặc nhiều địa điểm khác nhau. Đặc biệt, giao thức này hỗ trợ nhiều kết nối Master-Slave đồng thời, cho phép nhiều hệ thống SCADA giám sát điện hoặc phần mềm giám sát năng lượng cùng truy cập dữ liệu từ một thiết bị, tăng cường tính linh hoạt và khả năng mở rộng của hệ thống.

II. Thách thức quản lý năng lượng và giải pháp giám sát điện

Các phương pháp quản lý năng lượng truyền thống đang đối mặt với nhiều thách thức lớn. Việc ghi chép số liệu thủ công từ công tơ cơ khí không chỉ tốn nhân lực mà còn tiềm ẩn sai số cao, gây khó khăn cho việc phân tích và đánh giá hiệu quả sử dụng điện. Hơn nữa, phương pháp này không có khả năng cảnh báo sự cố tức thời như quá tải, sụt áp, dẫn đến rủi ro hư hỏng thiết bị và gián đoạn hoạt động. Một hệ thống giám sát điện tự động dựa trên Modbus TCP/IP ra đời để giải quyết triệt để những vấn đề này. Hệ thống cho phép đo lường điện năng thông minh một cách liên tục và chính xác, loại bỏ hoàn toàn sai sót do con người. Dữ liệu được thu thập và lưu trữ một cách có hệ thống, tạo cơ sở cho việc phân tích phụ tải điện và xây dựng các chiến lược tiết kiệm năng lượng cho toà nhà. Các cảnh báo tự động giúp đội ngũ vận hành phản ứng kịp thời với sự cố, đảm bảo an toàn và giảm thiểu thiệt hại, biến việc quản lý năng lượng từ bị động sang chủ động.

2.1. Hạn chế của phương pháp đo lường và giám sát thủ công

Phương pháp giám sát thủ công yêu cầu nhân viên phải đi đến từng khu vực để ghi lại chỉ số từ các công tơ điện. Quá trình này không chỉ tốn thời gian, chi phí nhân công mà còn có độ trễ lớn trong việc thu thập dữ liệu. Các số liệu ghi chép bằng tay dễ xảy ra sai sót, làm mất đi tính chính xác cần thiết cho việc phân tích. Quan trọng hơn, phương pháp này không thể cung cấp cái nhìn tổng quan theo thời gian thực về tình trạng tiêu thụ điện của toà nhà. Khi xảy ra sự cố như quá công suất, việc phát hiện và xử lý thường bị chậm trễ, gây ảnh hưởng đến an toàn và tuổi thọ của các thiết bị điện. Việc thiếu dữ liệu chi tiết cũng khiến việc xác định các nguồn gây lãng phí năng lượng trở nên gần như không thể.

2.2. Lợi ích của việc tự động hóa giám sát công suất tiêu thụ

Tự động hóa giám sát công suất tiêu thụ mang lại lợi ích kép: tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả vận hành. Hệ thống tự động thu thập dữ liệu 24/7, cung cấp một bức tranh toàn cảnh và chính xác về mô hình sử dụng điện. Điều này cho phép nhà quản lý xác định giờ cao điểm, các thiết bị tiêu thụ nhiều năng lượng và các khu vực lãng phí tiềm tàng. Dựa trên dữ liệu này, có thể triển khai các biện pháp tối ưu hóa tiêu thụ điện như lập lịch hoạt động thiết bị, điều chỉnh phụ tải. Hơn nữa, hệ thống có thể tự động cảnh báo khi công suất vượt ngưỡng cho phép, giúp ngăn ngừa sự cố quá tải. Việc áp dụng IoT trong quản lý năng lượng thông qua các nền tảng tự động hóa giúp giảm thiểu sự can thiệp của con người, tăng độ tin cậy và tạo ra một môi trường vận hành an toàn, hiệu quả.

III. Hướng dẫn xây dựng hệ thống giám sát điện Modbus TCP IP

Xây dựng một hệ thống giám sát điện dựa trên giao thức Modbus TCP/IP bao gồm ba lớp kiến trúc chính, tương tự cấu trúc của một hệ thống BMS tiêu chuẩn. Lớp đầu tiên là Cấp Chấp hành, gồm các thiết bị tại hiện trường như công tơ điện tử Modbus (ví dụ: PZEM-004T), cảm biến dòng, cảm biến áp, có nhiệm vụ đo lường trực tiếp các thông số điện. Dữ liệu từ các thiết bị này được truyền đến Cấp Điều khiển. Tại đây, các bộ điều khiển logic khả trình (PLC) như Siemens S7-1200 hoặc các vi điều khiển (Arduino) đóng vai trò trung tâm, xử lý dữ liệu thô và thực hiện các logic điều khiển cơ bản. Cuối cùng, Cấp Giám sát là nơi dữ liệu được tập hợp, hiển thị và phân tích. Cấp này thường bao gồm một máy chủ với phần mềm giám sát năng lượng chuyên dụng (SCADA) và giao diện Web Server. Mô hình này, được đề cập trong nghiên cứu của Đại học Sư phạm Kỹ thuật Đà Nẵng, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, phân tán và dễ dàng mở rộng khi có nhu cầu.

3.1. Mô hình Server Client trong truyền thông công nghiệp

Hệ thống giám sát điện năng Modbus TCP/IP thường được triển khai theo mô hình Server-Client (hoặc Master-Slave). Trong mô hình này, một thiết bị trung tâm (PLC Server hoặc máy tính SCADA) đóng vai trò là Client, chủ động gửi yêu cầu đọc/ghi dữ liệu. Các thiết bị đo lường tại hiện trường (PLC Client, đồng hồ điện Modbus) đóng vai trò là Server, lắng nghe và phản hồi các yêu cầu từ Client. Nghiên cứu năm 2022 đã chứng minh mô hình "Truyền thông PLC S7-1200 theo mô hình Server – Client" rất hiệu quả. PLC Server có nhiệm vụ thu thập dữ liệu tổng hợp từ nhiều PLC Client đặt tại các tầng hoặc khu vực khác nhau. Mô hình này cho phép quản lý tập trung, dễ dàng cấu hình và giám sát toàn bộ hệ thống từ một điểm duy nhất, đồng thời đảm bảo tính độc lập của các trạm con.

3.2. Vai trò của bộ chuyển đổi và Gateway Modbus TCP IP

Trong nhiều hệ thống thực tế, các thiết bị đo lường cũ hơn có thể chỉ hỗ trợ giao thức Modbus RTU (truyền thông nối tiếp RS485). Để tích hợp các thiết bị này vào mạng Ethernet hiện đại, cần sử dụng bộ chuyển đổi Modbus TCP/IP hoặc Gateway Modbus. Thiết bị này hoạt động như một cầu nối, chuyển đổi các gói tin Modbus RTU sang định dạng Modbus TCP/IP và ngược lại. Gateway Modbus cho phép tận dụng các thiết bị hiện có, giảm chi phí đầu tư ban đầu mà vẫn đảm bảo khả năng kết nối và quản lý tập trung trên nền tảng IP. Việc sử dụng gateway giúp hệ thống trở nên linh hoạt, có thể kết hợp cả thiết bị cũ và mới một cách liền mạch, tạo ra một giải pháp quản lý năng lượng toà nhà toàn diện và có tính kế thừa cao.

IV. Cách chọn thiết bị PLC cảm biến và phần mềm giám sát

Việc lựa chọn thiết bị phù hợp là yếu tố quyết định sự thành công của một hệ thống giám sát điện. Đối với bộ điều khiển trung tâm, PLC (Programmable Logic Controller) là lựa chọn hàng đầu nhờ độ tin cậy và sự ổn định trong môi trường công nghiệp. Dòng PLC Siemens S7-1200, như được sử dụng trong nghiên cứu tham khảo, được ưa chuộng vì tích hợp sẵn cổng Profinet (Ethernet), hỗ trợ mạnh mẽ giao thức Modbus TCP/IP. Về thiết bị đo lường, cần chọn các công tơ điện tử Modbus hoặc các module cảm biến chuyên dụng như PZEM-004T. Các thiết bị này phải có khả năng đo lường chính xác các thông số cần thiết (V, A, W, kWh, Cos φ, Hz) và hỗ trợ giao tiếp Modbus. Cuối cùng, phần mềm giám sát năng lượng đóng vai trò là giao diện người dùng. Các hệ thống SCADA giám sát điện như WinCC Professional hoặc các nền tảng IoT mã nguồn mở như Node-RED cung cấp khả năng trực quan hóa dữ liệu, vẽ biểu đồ, xuất báo cáo và thiết lập cảnh báo, giúp người vận hành quản lý hệ thống một cách hiệu quả.

4.1. Kết nối PLC Modbus và vi điều khiển Arduino

Trong nhiều ứng dụng, việc kết hợp PLC và vi điều khiển như Arduino mang lại sự linh hoạt và tối ưu chi phí. PLC (ví dụ: S7-1200) thường đóng vai trò là bộ điều khiển chính (Master/Server) do tính ổn định và khả năng xử lý mạnh mẽ. Trong khi đó, Arduino, với chi phí thấp và cộng đồng hỗ trợ lớn, có thể được dùng làm trạm thu thập dữ liệu (Slave/Client) tại các điểm đo. Đồ án tốt nghiệp 2022 đã thực hiện thành công việc "Truyền thông vi điều khiển Arduino Uno R3 với PLC S7-1200 sử dụng Mobus TCP/IP". Arduino được kết nối với module Ethernet (như ENC28J60) và giao tiếp với cảm biến dòng PZEM-004T để đọc thông số điện. Dữ liệu sau đó được đóng gói và gửi về PLC S7-1200 qua mạng Ethernet, tạo nên một hệ thống kết nối PLC Modbus phân tán hiệu quả.

4.2. Lựa chọn cảm biến và đồng hồ điện Modbus phù hợp

Việc lựa chọn cảm biến và đồng hồ đo là cực kỳ quan trọng để đảm bảo độ chính xác của dữ liệu. Cần xác định rõ các thông số cần giám sát: điện áp (V), dòng điện (A), công suất tức thời (W), tổng năng lượng tiêu thụ (kWh), tần số (Hz) và hệ số công suất (Cos φ). Module PZEM-004T là một lựa chọn phổ biến cho các dự án quy mô nhỏ nhờ khả năng đo lường đa năng và giao tiếp nối tiếp dễ dàng tích hợp với Arduino. Đối với các hệ thống lớn hơn, chuyên nghiệp hơn, nên sử dụng các đồng hồ điện Modbus 3 pha chuyên dụng. Các thiết bị này thường có độ chính xác cao hơn, hỗ trợ dải đo rộng và có thể kết nối trực tiếp vào mạng Modbus RTU hoặc TCP/IP mà không cần bộ xử lý trung gian, đảm bảo sự ổn định và tin cậy cho toàn hệ thống giám sát điện.

V. Bí quyết tối ưu tiêu thụ điện nhờ giám sát năng lượng 4

Một hệ thống giám sát điện hiện đại không chỉ dừng lại ở việc hiển thị con số. Sức mạnh thực sự của nó nằm ở khả năng cung cấp dữ liệu chi tiết để tối ưu hóa tiêu thụ điện. Bằng cách phân tích dữ liệu lịch sử, nhà quản lý có thể xác định các mô hình sử dụng năng lượng, chẳng hạn như giờ cao điểm, các thiết bị hoạt động không hiệu quả hoặc tình trạng rò rỉ điện. Đây chính là chìa khóa để thực hiện các biện pháp tiết kiệm năng lượng cho toà nhà một cách khoa học. Ví dụ, hệ thống có thể đề xuất lịch vận hành tối ưu cho hệ thống điều hòa không khí (HVAC) dựa trên biểu đồ phụ tải. Hơn nữa, việc giám sát hệ số công suất (Cos φ) giúp phát hiện và khắc phục tổn thất điện năng, tránh bị phạt từ công ty điện lực. Việc áp dụng IoT trong quản lý năng lượng và phân tích dữ liệu lớn (Big Data) biến hệ thống giám sát thành một công cụ quản trị thông minh, mang lại lợi ích kinh tế rõ rệt và góp phần vào sự phát triển bền vững.

5.1. Phân tích phụ tải điện và xác định nguồn lãng phí

Chức năng cốt lõi của phần mềm giám sát năng lượng là cho phép phân tích phụ tải điện theo thời gian thực và lịch sử. Bằng cách vẽ biểu đồ tiêu thụ điện theo giờ, ngày hoặc tháng cho từng khu vực, từng thiết bị, hệ thống giúp xác định chính xác các "điểm nóng" tiêu thụ năng lượng. Ví dụ, một biểu đồ có thể cho thấy hệ thống chiếu sáng vẫn hoạt động với công suất cao ngoài giờ làm việc, hoặc một động cơ cũ đang tiêu thụ nhiều điện hơn so với định mức. Việc xác định các nguồn lãng phí này là bước đầu tiên và quan trọng nhất để xây dựng một kế hoạch hành động cụ thể. Dữ liệu chính xác giúp ban quản lý đưa ra quyết định đầu tư đúng đắn, chẳng hạn như thay thế các thiết bị cũ bằng loại tiết kiệm điện hơn hoặc lắp đặt các hệ thống điều khiển tự động.

5.2. Ứng dụng thực tiễn trong việc cảnh báo và bảo trì dự đoán

Ngoài việc tối ưu hóa, hệ thống giám sát còn đóng vai trò quan trọng trong việc vận hành và bảo trì. Chức năng cảnh báo tự động sẽ ngay lập tức thông báo cho kỹ thuật viên khi có các thông số bất thường như sụt áp, quá dòng hoặc nhiệt độ tăng cao. Điều này giúp ngăn chặn sự cố trước khi chúng gây ra hư hỏng nghiêm trọng. Xa hơn nữa, bằng cách phân tích xu hướng dữ liệu theo thời gian, hệ thống có thể hỗ trợ bảo trì dự đoán (predictive maintenance). Ví dụ, nếu dòng điện của một động cơ tăng dần theo thời gian, đó có thể là dấu hiệu của sự hao mòn cơ khí. Hệ thống sẽ cảnh báo để lên kế hoạch bảo trì trước khi động cơ hỏng hóc. Cách tiếp cận chủ động này giúp giảm thời gian chết của thiết bị, kéo dài tuổi thọ và tối ưu hóa chi phí bảo trì.

VI. Tương lai giám sát điện năng Tích hợp IoT và hệ thống BMS

Tương lai của việc giám sát điện năng nằm ở sự hội tụ và tích hợp. Các hệ thống độc lập sẽ dần được thay thế bởi một nền tảng quản lý năng lượng toà nhà thông minh, toàn diện. Giao thức Modbus TCP/IP, với nền tảng là Ethernet, đóng vai trò là cầu nối hoàn hảo để tích hợp hệ thống giám sát điện vào các nền tảng lớn hơn như BMS (Building Management System) và IoT trong quản lý năng lượng. Khi được tích hợp, dữ liệu tiêu thụ điện không chỉ được dùng để phân tích mà còn trở thành đầu vào cho các hệ thống tự động hóa toà nhà khác. Ví dụ, hệ thống BMS có thể tự động điều chỉnh độ sáng đèn hoặc nhiệt độ điều hòa dựa trên dữ liệu phụ tải điện và sự hiện diện của con người. Tầm nhìn này hướng tới một "tòa nhà thông minh" thực sự, nơi mọi hệ thống kỹ thuật hoạt động một cách hài hòa để tối ưu hóa sự thoải mái, an toàn và đặc biệt là hiệu quả năng lượng, mở ra một kỷ nguyên mới cho quản lý vận hành công trình.

6.1. Xu hướng tích hợp hệ thống PMS vào BMS toàn diện

Hiện nay, xu hướng tất yếu là tích hợp Hệ thống Giám sát Năng lượng (PMS) như một module không thể thiếu trong Hệ thống Quản lý Tòa nhà (BMS) tổng thể. Thay vì hoạt động riêng lẻ, dữ liệu từ PMS sẽ được chia sẻ với các hệ thống khác như HVAC, chiếu sáng, an ninh. Một hệ thống BMS thông minh có thể sử dụng thông tin về công suất tiêu thụ để tự động điều chỉnh hoạt động của các thiết bị khác nhằm tránh giờ cao điểm, giảm chi phí tiền điện. Ngược lại, thông tin từ hệ thống kiểm soát ra vào có thể giúp PMS xác định các khu vực không có người để tự động ngắt các thiết bị không cần thiết. Sự tích hợp này tạo ra một hệ sinh thái vận hành đồng bộ, giúp tòa nhà không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn hoạt động thông minh và hiệu quả hơn.

6.2. Vai trò của IoT và Cloud trong việc quản lý từ xa

Công nghệ Vạn vật kết nối (IoT) và Điện toán đám mây (Cloud) đang cách mạng hóa lĩnh vực giám sát năng lượng. Các Gateway Modbus hỗ trợ IoT có thể đẩy dữ liệu trực tiếp từ các cảm biến lên nền tảng cloud một cách an toàn. Điều này cho phép người quản lý truy cập, giám sát và thậm chí điều khiển hệ thống điện của toà nhà từ bất cứ đâu, bất cứ lúc nào thông qua một ứng dụng web hoặc di động. Dữ liệu lớn được lưu trữ trên cloud cũng tạo điều kiện cho việc áp dụng các thuật toán phân tích nâng cao, sử dụng Trí tuệ nhân tạo (AI) để tìm ra các quy luật tiêu thụ phức tạp và đưa ra các đề xuất tối ưu hóa chính xác hơn. Đây là bước tiến quan trọng hướng tới việc quản lý năng lượng chủ động, linh hoạt và dựa trên dữ liệu lớn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TÒA NHÀ 1.1 Tìm hiểu về hệ thống giám sát tòa nhà BMS 1.1 Tổng quát về hệ thống BMS Hệ thống BMS (Building Management System) là hệ thống được đồng bộ cho phép điều khiển và quản lý toàn bộ các hệ thống thiết bị kỹ thuật trong tòa nhà. Việc giám sát này góp phần đảm bảo cho tòa nhà vận hành được đảm bảo an toàn, báo cháy- chữa cháy, tiết kiệm nhân công, thời gian. BMS có tính đồng bộ tối đa đặc biệt hệ thống BMS còn mang tính thời gian thực và trực tuyến phù hợp với thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa hiện nay. Hơn nữa, các hệ thống BMS hiện nay sử dụng các bộ xử lý hiện đại, liên kết với các phần mềm và các phần cứng của máy tính cụ thể như: hệ thống điều khiển phân tán DCS, hay PC Industry, hệ thống giám sát SCADA… Một hệ thống BMS có nhiều đối tượng giám sát (xem Hình 1.

Tuy nhiên với trong đồ án tốt nghiệp lần này nhóm chúng tôi lựa chọn đối tượng là giám sát điện năng để làm đề tài chính cho hoạt động nghiên cứu cũng như bảo vệ trước hội đồng bảo vệ.1 Sơ đồ chi tiết các đối tượng giám sát của hệ thống BMS Sinh viên thực hiện: Hoàng Quốc Phong Người hướng dẫn: Phạm Duy Dưởng 4 Nguyễn Thanh Phát TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Giám sát điện năng tiêu thụ toà nhà sử dụng truyền thông Modbus TCP/IP 1.2 Các đối tượng quản lý của hệ thống BMS Đối với các hệ thống tòa nhà đặc biệt là các tòa nhà cao tầng thì hệ thống BMS được coi như là cơ quân đầu não hay là trung tâm điều khiển của hệ thống kỹ thuật công trình. Do đó, trong cơ chế quản lý của BMS sẽ bao gồm các đối tượng sau: - Hệ thống phân phối, giám sát, điều khiển điện.: tự động bật/tắt dựa vào trạng thái lưới điện, giám sát nhiên liệu; - Hệ thống chiếu sáng: bật/ tắt các thiết bị chiếu sáng theo lịch trình cụ thể; - Hệ thống điều hòa và thông gió: lập lịch bật/tắt, duy trì các giá trị tại một điểm đặt; - Hệ thống cấp nước sinh hoạt: đóng mở các van tự động, kiểm soát chất lượng nước; - Hệ thống báo cháy và chữa cháy tự động: kiểm soát vị trí, cảnh báo và chữa cháy; - Hệ thống thang máy: kiểm soát trạng thái, điện thoại cứu trợ, video; - Hệ thống cấp nước xử lý nước thải; - Hệ thống thông báo hình ảnh cộng đồng; - Hệ thống kiểm soát thẻ vào ra; - Hệ thống an ninh tòa nhà: Camera an ninh, thẻ vào ra, các hệ thống nhận dạng sinh học; - Hệ thống thông tin liên lạc.3 Cấu trúc của hệ thống BMS. Về cấu trúc của hệ thống BMS thì gồm có 4 phần chính (xem Hình 1.2): - Phần mềm điều khiển trung tâm; - Thiết bị cấp trường quản lý; - Bộ điều khiển cấp trường; - Cảm biến và các cơ cấu chấp hành.2 Tổng quan sơ đồ cấu trúc hệ thống BMS Sinh viên thực hiện: Hoàng Quốc Phong Người hướng dẫn: Phạm Duy Dưởng 5 Nguyễn Thanh Phát TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Giám sát điện năng tiêu thụ toà nhà sử dụng truyền thông Modbus TCP/IP Đối với đề tài “Giám sát điện năng tiêu thụ tòa nhà sử dụng chuẩn truyền thông Modbus TCP/IP” của chúng tôi thì 4 thành phần chính gồm: - Phần mềm điều khiển trung tâm: Để đáp ứng mọi nhu cầu của người dùng về sự hiệu quả và tiện dụng nhóm chúng tôi quyết điện sử dụng phần mềm giám sát SCADA - WinCC Professional tích hợp sẵn trên phần mềm lập trình TIA Portal V15 để giám sát, vận hành, điều khiển hệ thống (xem Hình 1. Thêm nữa, để có thể mang lại sự tiện dụng thì nhóm còn thiết kế thêm hệ thống Web Server chạy trên nền Node JS kế thừa nền tảng IoT đang phát triển hiện nay vừa giúp người dùng có thể giám sát, điều khiển hệ thống điện năng trong tòa nhà ở bất cứ đâu, bất cứ nơi nào mà có sẵn kết nối internet.3 Mô hình SCADA trong giám sát điện năng được xây dựng trên WinCC Pro - Thiết bị trường và cấp quản lý: Có chức năng giám sát và vận hành một hệ thống kỹ thuật, và có nhiệm vụ hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường.

Ngoài ra trong nhiều trường hợp, cấp này còn thực hiện các yêu cầu điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức. Việc thực hiện các chức năng ở cấp điều khiển và giám sát thường không đòi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt; ngoài máy tính thông thường. Thiết bị trường và quản lý trong đề tài này thì nhóm chúng tôi sử dụng Laptop, có cài săn phần mềm giám sát SCADA và kết nối Internet thay thế cho các loại PC Industry hiện nay đang được dùng nhiều trong thực tế hiện nay (xem Hình 1. Trên thiết bị này người dùng hay kỹ thuật viên hoăc giám sát viên có thể thao tác trực tiếp trên hệ thống này để điều khiển hệ thống BMS cụ thể ở đây là hệ thống giám sát điện năng.

Sinh viên thực hiện: Hoàng Quốc Phong Người hướng dẫn: Phạm Duy Dưởng 6 Nguyễn Thanh Phát TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Giám sát điện năng tiêu thụ toà nhà sử dụng truyền thông Modbus TCP/IP Hình 1.4 Hệ thống PC Industry cấp thiết bị trường và quản lý trong thực tế - Bộ điều khiển cấp trường: Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều bộ điều khiển cấp trường phù hợp với hệ thống BMS nói chung và hệ thống giám sát điện năng PMS nói riêng. Các bộ điều khiển cấp trường thường là: DDC, PLC, PXC, PAC, DCS. Chức năng chính của cấp điều khiển này là nhận thông tin từ các bộ cảm biến từ đó xử lý các thông tin nhận được theo một thuật toán đã được lập trình sẵn và truyền dữ liệu xử lý được xuống các bộ chấp hành. Máy tính đảm nhận việc theo dõi các công cụ đo lường, từ thực hiện các thao tác như ấn nút mở/đóng van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay… Đặc tính nổi bật của cấp điều khiển là xử lý thông tin và truyền tín hiệu xuống cho các cơ cấu chấp hành.

cảm biến và chấp hành được cài đặt trực tiếp tại hiện trường gần kề với hệ thống kỹ thuật. Tuy nhiên, trong giới hạn đề tài cũng như kinh phí có hạn nên nhóm chúng tôi quyết định sử dụng bộ điều khiển logic PLC của Siemens dòng S7-1200 để làm bộ điều khiển thiết bị trường.5 Bộ điều khiển cấp trường PLC dòng S7 của Siemens. Sinh viên thực hiện: Hoàng Quốc Phong Người hướng dẫn: Phạm Duy Dưởng 7 Nguyễn Thanh Phát TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Giám sát điện năng tiêu thụ toà nhà sử dụng truyền thông Modbus TCP/IP - Cơ cấu chấp hành: Cấp chấp hành bao gồm thiết bị đầu vào là hệ thống cảm biến, camera, đầu thẻ. và đầu ra là các cơ cấu chấp hành như quạt, điều hòa, đèn, còi, chuông, máy bơm, van, động cơ.

Chức năng chính là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu. Thực tế, đa số các thiết bị cảm biến hay cơ cấu chấp hành cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường, truyền động được chính xác và nhanh nhạy. Các thiết bị thông minh (có bộ vi xử lý riêng) cũng có thể đảm nhận việc xử lý và chuẩn bị thông tin cấp điều khiển trường chỉ cần lấy dữ liệu trực tiếp lên để phục vụ cho việc cho việc điều khiển mà không cần phải qua khâu xử lý tín hiệu nào. Riêng đối với hệ thống PMS của nhóm, chúng tôi cũng xử lý sẵn các tín hiệu liên quan đến điện áp thông qua việc giao tiếp với module cảm biến dòng với vi điều khiển Arduino để có thể lấy được dữ liệu nhanh chóng và chính xác nhất.

Từ đó giúp cho quá trình xử lý ở cấp điều khiển trường được diễn ra nhanh nhất. Các cơ cấu chấp hành mà chúng tôi sử dụng trong đề tài lần này: Module cảm biến dòng PZEM 004T, Relay 24 VD, các bóng đèn… 1.4 Tính năng và lợi ích của việc hệ thống BMS nói chung và PMS nói riêng.1 Tính năng cơ bản của hệ thống BMS và PMS. - Cho phép các thiết bị trong tòa nhà hoạt động một cách đồng bộ, chính xác theo đúng yêu cầu của người điều hành; - Cho phép điều khiển các ứng dụng trong tòa nhà thông qua cáp điều khiển và giao thức mạng và đáp ứng nhanh, hiệu quả; - Kết nối các hệ thống kỹ thuật như an ninh, báo cháy… qua cổng giao diện mở của hệ thống với các ngôn ngữ giao diện theo tiêu chuẩn quốc tế; - Giám sát được môi trường không khí, môi trường làm việc của con người; - Tổng hợp dữ liệu để lưu trữ, theo dõi, báo cáo thông tin theo định kỳ; - Cảnh báo sự cố, đưa ra những tín hiệu cảnh báo kịp thời cho người vận hành để có hướng xử lý tốt nhất; - Quản lý dữ liệu gồm soạn thảo chương trình, quản lý cơ sở dữ liệu, chương trình soạn thảo đồ hoạ, lưu trữ và sao lưu dữ liệu nhằm mục đích báo cáo, giám sát định kỳ; - Hệ thống BMS cũng như PMS linh hoạt, có khả năng mở rộng với các giải pháp sẵn sàng đáp ứng với mọi yêu cầu.2 Lợi ích của hê thống BMS và PMS. - Đơn giản hóa và tự động hóa vận hành các quá trình, chức năng, yêu cầu vận hành có tính lặp đi lặp lại; - Quản lý tốt hơn các thiết bị trong tòa nhà nhờ hệ thống lưu trữ dữ liệu, chương trình bảo trì bảo dưỡng và hệ thống tự động báo cáo, cảnh báo sự cố liên quan; Sinh viên thực hiện: Hoàng Quốc Phong Người hướng dẫn: Phạm Duy Dưởng 8 Nguyễn Thanh Phát TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Giám sát điện năng tiêu thụ toà nhà sử dụng truyền thông Modbus TCP/IP - Giảm thiểu sự cố và phản ứng nhanh đối với các yêu cầu của khách hàng hay khi xảy ra sự cố; - Giảm chi phí năng lượng nhờ tính năng quản lý tập trung, điều khiển và quản lý năng lượng; - Giảm chi phí nhân công và thời gian đào tạo nhân viên vận hành – cách sử dụng dễ hiểu, mô hình quản lý được thể hiện trực quan, khoa học trên máy tính cho phép giảm tối đa chi phí dành cho nhân sự và đào tạo mà không ảnh hưởng đến chất lượng công việc; - Dễ dàng nâng cấp, linh hoạt trong việc lập trình theo nhu cầu của tổ chức và các yêu cầu mở rộng trong tương lai.