acecook

Tổ chức chương trình thu thập dữ liệu từ các thiết bị đo đếm điện năng

Kỹ thuật điều khiển
08/08/2024 14:08
Bài viết này đưa ra thuật toán, kỹ thuật lập trình cho master (gọi là client trong trường hợp Modbus TCP) sử dụng PLC để thu thập dữ liệu từ mạng các thiết bị sử dụng giao thức Modbus TCP (gọi là server).
aa

Giới thiệu

Trong công nghiệp, hầu hết các thiết bị đo đếm điện năng đều hỗ trợ giao thức Modbus RTU, Modbus TCP/IP. Giao thức Modbus thì không xa lạ gì đối với các kỹ sư trong các ngành năng lượng, tự động hóa sản xuất. Tuy nhiên trải qua mấy chục năm nay hệ thu thập dữ liệu và điều khiển với thiết bị thông qua giao thức Modbus RTU và thậm chí với Modbus TCP đều bộc lộ những vấn đề sau đây:

• Hệ thống chạy một thời gian bị treo. Bộ điều khiển hay gateway (sau đây gọi là master) phải khởi động lại (tắt nguồn/ bật nguồn) hệ mới làm việc bình thường trở lại.

• Trong một chuỗi, khi một thiết bị (sau đây gọi là slave) không trao đổi dữ liệu được với master cũng dẫn đến đình trệ luôn việc trao đổi dữ liệu của master với nguyên chuỗi slave.

• Trao đổi dữ liệu với tốc độ chậm hoặc rất chậm, với chu kỳ khoảng 1 đến 2 giây, có khi lên đến 10 giây mặc dù số thiết bị slave trong chuỗi không nhiều.

• Khi thiết kế, kỹ sư hệ thống thường không dám chọn số thiết bị slave nhiều do lo ngại về tốc độ trao đổi dữ liệu, hoặc không trao đổi được khi số slave tăng. Các kỹ sư thiết kế còn ngần ngại không biết nên lựa chọn số lượng thiết bị slave sao cho phù hợp. Đa số trường hợp lựa chọn 5-6 slave cho một master để chắc chắn.

Các vấn đề nêu trên trên, ít ai nghĩ rằng: Hệ thống hoạt động có tin cậy và bền vững hay không là do cách lập trình chương trình trên PLC / Gatway, chứ không phải do yếu tố vật lý hoàn toàn. Bài viết này đưa ra thuật toán, kỹ thuật lập trình cho master (gọi là client trong trường hợp Modbus TCP) sử dụng PLC để thu thập dữ liệu từ mạng các thiết bị sử dụng giao thức Modbus TCP (gọi là server, trong trường hợp Modbus RTU gọi là slave) và ánh xạ (mapping) dữ liệu vào các khối dữ liệu (datablock) để từ đó các PLC cấp cao, hoặc SCADA có thể trao đổi dữ liệu với PLC thông qua giao thức phổ biến hơn.

Trong bài viết, tác giả cũng chia sẻ phần mềm (tự phát triển) - là công cụ cho phép mô phỏng một số lượng rất lớn các điện kế năng lượng phục vụ cho việc kiểm chứng thiết bị hoặc phát triển các dự án xây dựng hệ thống quản lý điện năng, ví dụ như hệ thống thu thập và điều khiển điện (EMCS) trong siêu dự án sân bay Quốc tế Long Thành.

Giải pháp cũng đưa ra cách bố trí thí nghiệm kiểm chứng mà trong điều kiện hạn chế, kỹ sư có thể tổ chức được mạng Modbus TCP với số lượng rất lớn điện kế. Đi kèm với bài viết mã nguồn dự án viết trên công cụ TIA Portal của hãng Siemens. Kỹ sư lập trình có thể sử dụng nội dung của project mẫu này, có thể thay đổi để thích ứng với dự án thực tế mà mình đang thực hiện.

Cấu trúc của hệ thống thu thập dữ liệu từ mạng điện kế

Các đồng hồ đo đếm năng lượng (điện kế) trên thị trường công nghiệp hiện nay thường tồn tại dưới 2 dạng (theo khía cạnh chuẩn truyền thông) vật lý: RS-485 và ethernet. Tương ứng cho 2 chuẩn vật lý này là giao thức Modbus RTU (gọi là Modbus) và Modbus TCP.

Trong trường hợp điện kế hỗ trợ Modbus RTU, hệ bao gồm một PLC và module RS-485 (tổng lại có thể gọi là gateway). Module RS-485 được nối với mạng điện kế sử dụng cab tín hiệu 2 sợi RS-485. Phía kia của gateway là cổng ethernet của PLC, mà các PLC cấp cao hơn hoặc SCADA có thể thông qua đó để trao đổi dữ liệu sử dụng các giao thức như: S7 (trường hợp PLC S7-1200 của hãng Siemens), Modbus TCP/IP hoặc OPC UA (hình 1). Hình 1a là trường hợp các điện kế nối với nhau bằng topology kiểu daisy chain. Hình 1b - các điện kế nối với nhau thông qua bộ chia (thụ động - passive) RS-485.

Tổ chức chương trình thu thập dữ liệu từ các thiết bị đo đếm điện năng

Hình 1. Mạng các đồng hồ năng lượng kết nối sử dụng Modbus RTU

Trường hợp các điện kế hỗ trợ giao thức Modbus TCP, thiết bị như PLC/Gateway có thể trao đổi dữ liệu trực tiếp với mạng điện kế thông qua ethernet. Các điện kế nối với nhau bằng topology kiểu daisy chain (hình 2a, trong trường hợp điện kế hỗ trợ 2 cổng ethernet) hoặc thông qua switch mạng (hình 2b). Phía kia của PLC/gateway là cổng ethernet, mà các PLC hoặc SCADA cấp cao hơn có thể thông qua đó để trao đổi dữ liệu sử dụng các giao thức như: S7 (trường hợp PLC S7-1200/S7-1500 của hãng Siemens), Modbus TCP/IP hoặc OPC UA (hình 2).

Tổ chức chương trình thu thập dữ liệu từ các thiết bị đo đếm điện năng

Hình 2. Mạng các đồng hồ năng lượng kết nối sử dụng Modbus TCP

 Cấu hình hệ thống sử dụng để phát triển và kiểm chứng dự án

Để phát triển dự án với số lượng điện kế lớn và kiểm chứng thuật toán trao đổi dữ liệu giữa PLC (Modbus TCP client) với các điện kế (Modbus TCP server), có thể tổ chức một hệ thống có các thành phần như trong hình 3.

Tổ chức chương trình thu thập dữ liệu từ các thiết bị đo đếm điện năng

Hình 3. Cấu trúc hệ thống dùng để kiểm chứng thuật toán và phát triển dự án

Trong điều kiện giới hạn, không đầy đủ các thiết bị điện kế, đặc biệt là với số lượng rất lớn, kỹ sư lập trình có thể bố trí hệ thống thiết bị và phần mềm và có cấu trúc như hình 3 để kiểm chứng chương trình hoạt động của PLC / Gateway.

Bảng 1 ghi rõ các thiết bị và phần mềm cần thiết để tổ chức kiểm chứng thuật toán và phát triển dữ án. PLCSim Advanced là PLC ảo có thể dễ dàng tải phần mềm tại trang hỗ trợ kỹ thuật của hãng Siemens.

Tổ chức chương trình thu thập dữ liệu từ các thiết bị đo đếm điện năng

Phần mềm Energy meter realtime data simulator cho phép mô phỏng số lượng rất lớn các thiết bị điện kế do chính tác giả phát triển (hình 4). Các điện kế sử dụng một địa chỉ IP nhưng port khác nhau. Mỗi điện kế dùng 24 thanh ghi dạng 3x (input register) để chứa giá trị float (kiểu swap) từ 12 thông số của điện kế (hình 5). Riêng thanh ghi 25 và 26 dùng để chứa số thứ tự (ID) của điện kế. Sau khi lựa chọn card mạng và bấm “Start” trên máy tính sẽ tạo ra n Modbus TCP server tương ứng với port chạy từ 502 đến 502+n.

Tổ chức chương trình thu thập dữ liệu từ các thiết bị đo đếm điện năng

Hình 4. Phần mềm Energy Meter Realtime Data Simulaton.

Tổ chức chương trình thu thập dữ liệu từ các thiết bị đo đếm điện năng

Hình 5. 12 thông số điện năng của điện kế và ánh xạ kiểu dữ liệu trong TIA Portal

Thuật toán và lập trình thu thập dữ liệu

Dưới đây là thuật toán và chương trình thu thập dữ liệu từ 200 điện kế hỗ trợ Modbus TCP. Chương trình được xây dựng sử dụng công cụ TIA Portal.

1. Chương trình được chia thành 20 nhóm, mỗi nhóm sẽ đảm nhận việc thu thập dữ liệu từ 10 điện kế. Như vậy mỗi nhóm sẽ có 10 Modbus TCP client (CLIENT_i, i = 1..200 trong hình 6). Trong mỗi nhóm có 1 nhiệm vụ (Task) đảm nhận việc thu thập dữ liệu từ 10 điện kế khác nhau.

Tổ chức chương trình thu thập dữ liệu từ các thiết bị đo đếm điện năng

Hình 6. 20 nhóm trong chương trình

2. Trước hết cần phải tạo một kiểu dữ liệu Energy như trong hình 5.

3. Từ kiểu dữ liệu ở trên, có thể tạo ra 20 nhóm dữ liệu, mỗi nhóm là một mảng (array) gồm 10 phần tử Energy (hình 7).

Tổ chức chương trình thu thập dữ liệu từ các thiết bị đo đếm điện năng

Hình 7. 20 nhóm khối dữ liệu

4. Tạo 20 nhóm cấu hình kết nối với điện kế, mỗi nhóm là một array gồm 10 phần tử (hình 8).

Tổ chức chương trình thu thập dữ liệu từ các thiết bị đo đếm điện năng

Hình 8. 20 nhóm cấu hình kết nối

5. Bài toán khởi tạo giá trị (startup, có tên là Init trong dự án TIA Portal) cho 20 kết nối, chạy duy nhất một lần khi khởi động chương trình PLC, có code như trong hình 9.

Tổ chức chương trình thu thập dữ liệu từ các thiết bị đo đếm điện năng
Hình 9. Khởi tạo giá trị cho 20 kết nối

Init có nhiệm vụ gán địa chỉ IP, định danh kết nối (connection ID) và TCP port. Port này đi từ 502. Địa chỉ IP của máy tính chạy phần mềm mô phỏng điện kế là 192.168.1.100.

6. Trên mỗi nhiệm vụ Task_i (i = 1..200) sẽ có 1 bộ chia thời gian (hình 10). Bộ chia thời gian (time slot divider) sẽ chia thành những khoảng thời gian bằng nhau (200ms). Các client sẽ thực hiện việc thu thập dữ liệu từ điện kế tương ứng khi đến phiên mình.

Tổ chức chương trình thu thập dữ liệu từ các thiết bị đo đếm điện năng

Hình 10. Cơ chế chia thời gian để thu thập dữ liệu

Thuật toán chia thời gian này được cụ thể hóa trên TIA Portal bằng bộ đếm (counter) kích hoạt bằng đồng hồ 5Hz. Chương trình của 20 nhiệm vụ (Task_i, i = 1..20) thu thập dữ liêu được thể hiện rõ qua hình 11.

Tổ chức chương trình thu thập dữ liệu từ các thiết bị đo đếm điện năng
Hình 11. 20 nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ điện kế tương ứng

Kết luận

Cấu hình kiểm chứng ở trên với 200 điện kế, trong đó mỗi điện kế có 26 thanh ghi. Kết quả chạy chương trình trên PLCSim Advanced cũng như trên PLC vật lý đều cho kết quả như hình 12. Kết quả trên hình 12 chỉ thể hiện giá trị đọc được từ 13 thông số của điện kế đầu tiên (ID = 1) và điện kế cuối cùng (ID = 200).

Tổ chức chương trình thu thập dữ liệu từ các thiết bị đo đếm điện năng
Hình 12. Kết quả kiểm chứng trên TIA Portal

Tác giả đã sử dụng thuật toán và chương trình mô phỏng Energy Meter Realtime Data Simulation để vận dụng vào trong nhiều dự án trước đây, giúp giảm thiểu được chi phí về phần cứng phải đầu tư khi phát triển dự án và rút ngắn thời gian hoàn thành dự án.

Độc giả có thể tải phần mềm Energy Meter Realtime Data Simulation theo đường dẫn bên dưới hoặc QR code như trong, để có thể thay đổi một dễ dàng về số lượng điện kế cần thu thập dữ liệu, sử dụng cho trong việc phát triển dự án quản lý điện năng.

Mã nguồn dự án viết trên công cụ TIA Portal của hãng Siemens. Kỹ sư lập trình có thể sử dụng nội dung của dự án mẫu này, có thể thay đổi để thích ứng với dự án thực tế mà mình đang thực hiện.

Đường dẫn để tải tài liệu:

https://drive.google.com/drive/folders/1w4fZaCzBunXvXxfrkV-qfiNVhRhUu04t?usp=sharing

Trương Đình Châu
Trường Đại học Bách khoa TP.HCM

Tổ chức chương trình thu thập dữ liệu từ các thiết bị đo đếm điện năng
TS. Trương Đình Châu
Tiến Sỹ Trương Đình Châu hiện đang công tác tại trường Đại học Bách khoa TP.HCM, với hơn 25 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực hệ thống điều khiển công nghiệp và SCADA. Ông là chuyên gia hàng đầu về tự động hóa và điều khiển tại Việt Nam, tham gia tích cực vào nghiên cứu, phát triển các giải pháp tiên tiến. Ngoài ra, ông còn tư vấn, thiết kế và lập trình cho nhiều dự án trọng điểm trong nước, góp phần quan trọng vào sự phát triển của ngành công nghiệp tự động hóa.

mca
Tin bài khác
Liên hiệp hội Việt Nam thúc đẩy phát triển tủ sách khoa học và công nghệ

Liên hiệp hội Việt Nam thúc đẩy phát triển tủ sách khoa học và công nghệ

Nhằm tìm các giải pháp và chuẩn bị các tiền đề cho công tác xây dựng tủ sách khoa học và công nghệ, ngày 09/10, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam tổ chức hội thảo "Giải pháp xây dựng và phát triển tủ sách khoa học và công nghệ".
Sinh lời tự động - cuộc đua mới của ngân hàng Việt Nam

Sinh lời tự động - cuộc đua mới của ngân hàng Việt Nam

Làn sóng “sinh lời tự động” đang lan rộng trong hệ thống ngân hàng Việt Nam, khi nhiều nhà băng cho phép số dư nhàn rỗi trong tài khoản thanh toán tự động sinh lợi mà không cần thao tác thủ công. Từ Techcombank, TPBank đến VIB, LPBank, các sản phẩm mới này không chỉ thay đổi thói quen gửi tiền của người Việt mà còn mở ra một cuộc cạnh tranh mới trong kỷ nguyên ngân hàng số.
Bước tiến mới trong sản xuất kim loại: Khắc quang hóa học lên ngôi

Bước tiến mới trong sản xuất kim loại: Khắc quang hóa học lên ngôi

Trong sản xuất công nghệ cao, thành công ngày càng được đo lường không chỉ bằng những gì được tạo ra, mà còn bằng cách nó được tạo ra. Áp lực thu nhỏ, tích hợp và hiệu suất đang buộc các kỹ sư phải suy nghĩ lại về các phương pháp sản xuất truyền thống.
Thời gian tới, Đại học Kinh tế Quốc dân mở thêm 3 lĩnh vực đào tạo mới

Thời gian tới, Đại học Kinh tế Quốc dân mở thêm 3 lĩnh vực đào tạo mới

Năm 2025, Đại học Kinh tế Quốc dân (NEU) có gần 50% số sinh viên tốt nghiệp loại Xuất sắc, ghi thêm dấu ấn cho vị thế của nhà trường. Định hướng đến 2030, tầm nhìn đến 2035, NEU mở thêm 3 lĩnh vực đào tạo mũi nhọn là Sức khỏe, Bán dẫn và Công nghệ môi trường.
Bộ Công Thương: Đơn giản hóa thủ tục, số hóa quy trình lắp điện mặt trời mái nhà

Bộ Công Thương: Đơn giản hóa thủ tục, số hóa quy trình lắp điện mặt trời mái nhà

Bộ Công Thương khẳng định người dân lắp đặt điện mặt trời mái nhà chỉ cần thông báo đơn giản, không cần xin phép, đồng thời đang triển khai số hóa quy trình để hỗ trợ người dân thuận tiện hơn. Song song đó, Bộ cũng đẩy nhanh cơ chế đặc thù thúc đẩy các dự án điện khí LNG, hướng tới mục tiêu phát triển năng lượng xanh, bền vững.
Nhận định phiên giao dịch ngày 9/10: Thận trọng, chưa nên vội mở thêm vị thế mua mới

Nhận định phiên giao dịch ngày 9/10: Thận trọng, chưa nên vội mở thêm vị thế mua mới

Phiên giao dịch ngày 8/10 bật tăng mạnh sau thông tin FTSE Russell nâng hạng Việt Nam lên thị trường mới nổi thứ cấp, giúp VN-Index lập đỉnh mới. Tuy nhiên, thanh khoản chưa thực sự bùng nổ, áp lực chốt lời vẫn hiện hữu. Các chuyên gia khuyến nghị nhà đầu tư nên thận trọng, chưa vội mở thêm vị thế mua mới.
Sự trỗi dậy của Trung Quốc trong kỷ nguyên tự động hóa

Sự trỗi dậy của Trung Quốc trong kỷ nguyên tự động hóa

Theo Báo cáo Robot Thế giới 2025 của Liên đoàn Robot Quốc tế (IFR), Trung Quốc hiện đứng đầu thế giới về số lượng robot công nghiệp đang hoạt động, đạt 2,027 triệu đơn vị vào năm 2024, chiếm khoảng 43% tổng số toàn cầu. Báo cáo cũng cho thấy quá trình tự động hóa và số hóa của Trung Quốc được thúc đẩy bởi chiến lược “Made in China 2025” cùng sự phát triển của các doanh nghiệp nội địa như Siasun, Estun, Efort.
Sora 2.0: Cải thiện độ chân thực, đưa chính người dùng vào trong video

Sora 2.0: Cải thiện độ chân thực, đưa chính người dùng vào trong video

OpenAI vừa chính thức ra mắt Sora 2.0, phiên bản mới nhất của công nghệ chuyển văn bản thành video và âm thanh bằng trí tuệ nhân tạo đồng thời giới thiệu nền tảng mạng xã hội cùng tên.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 9/10/2025: Tuổi Tý tài lộc ổn định, tuổi Thân cảm thấy bất an

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 9/10/2025: Tuổi Tý tài lộc ổn định, tuổi Thân cảm thấy bất an

Những bí ẩn của khoa học đời sống là "món ăn" tinh thần không thể thiếu trong cuộc sống của con người. Tử vi vòng quay công nghệ xem tử vi 12 con giáp ngày 9/10/2025 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên, sức khỏe...
Thị trường chứng khoán ngày 08/10: Thông tin nâng hạng tác động tích cực, VN Index tăng 12,53 điểm

Thị trường chứng khoán ngày 08/10: Thông tin nâng hạng tác động tích cực, VN Index tăng 12,53 điểm

Thông tin về nâng hạng thị trường được công bố giúp tâm lý nhà đầu tư hưng phấn. Theo đó, VN Index tăng điểm trở lại, đóng cửa +12,53 điểm lên 1.697,83. Thanh khoản cải thiện mạnh, hơn 33,2 nghìn tỷ đồng; khối ngoại cũng đảo chiều mua ròng hơn 230 tỷ.
song-gia-tri