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.

tan-hoang-minh
Tin bài khác
Đột phá công nghệ NEV: Mô tô điện Chery tích hợp sạc ô tô và tính năng V2L

Đột phá công nghệ NEV: Mô tô điện Chery tích hợp sạc ô tô và tính năng V2L

Ngành công nghiệp phương tiện không phát thải vừa ghi nhận bước chuyển mình chiến lược từ hãng ô tô Trung Quốc Chery khi chính thức hé lộ lộ trình tiến vào phân khúc xe hai bánh.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 26/10/2026: Tuổi Thìn đón vận may công việc, tuổi Tý cần thận trọng trong tài chính

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 26/10/2026: Tuổi Thìn đón vận may công việc, tuổi Tý cần thận trọng trong tài chính

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 26/10/2026 mang đến những dự báo đáng chú ý về công việc, tài chính, tình duyên và sức khỏe của 12 con giáp. Một số tuổi có cơ hội khẳng định năng lực, mở rộng hướng phát triển và cải thiện các mối quan hệ. Trong khi đó, những tuổi khác nên chú ý quản lý chi tiêu, giữ bình tĩnh khi xử lý vấn đề và tránh đưa ra quyết định vội vàng. Chủ động trong công việc, linh hoạt trước thay đổi và duy trì tinh thần tích cực sẽ giúp mỗi con giáp có thêm động lực trong ngày mới.
Đào tạo sát thực tế để đáp ứng nhu cầu nhân lực bán dẫn

Đào tạo sát thực tế để đáp ứng nhu cầu nhân lực bán dẫn

Mục tiêu đào tạo 50.000 nhân lực trình độ đại học trở lên phục vụ ngành bán dẫn đến năm 2030 đặt ra yêu cầu cấp thiết về chất lượng và cơ cấu chuyên môn. Tại Ngày hội giao lưu Doanh nghiệp và Sinh viên lần thứ XV - năm 2026, câu chuyện đào tạo được đặt trong mối liên hệ với nhu cầu tuyển dụng, điều kiện thực hành và khả năng kết nối giữa nhà trường với doanh nghiệp.
Mở rộng thị trường xuất khẩu cho doanh nghiệp Việt tại Trung Đông và châu Phi

Mở rộng thị trường xuất khẩu cho doanh nghiệp Việt tại Trung Đông và châu Phi

Từ ngày 3/2/2026, Hiệp định Đối tác kinh tế toàn diện Việt Nam - UAE (CEPA) chính thức có hiệu lực với cam kết UAE xóa bỏ ngay 74,2% số dòng thuế và nâng lên mức 89,2% sau 5 năm thực thi. Là Hiệp định Thương mại Tự do (FTA) đầu tiên giữa Việt Nam với một nước ở Trung Đông, CEPA đã mang lại lợi thế cạnh tranh đáng kể nhưng cũng đặt ra yêu cầu cấp bách trong việc bảo đảm và phát triển thị phần xuất khẩu đối với doanh nghiệp Việt Nam.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 25/10/2026: Tuổi Tỵ có cơ hội bứt phá, tuổi Mùi cần chú ý quản lý tài chính

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 25/10/2026: Tuổi Tỵ có cơ hội bứt phá, tuổi Mùi cần chú ý quản lý tài chính

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 25/10/2026 hé lộ những xu hướng đáng chú ý về công việc, tài chính, tình duyên và sức khỏe của 12 con giáp. Có tuổi đứng trước cơ hội phát triển, dễ tìm được hướng giải quyết cho những vấn đề còn tồn đọng, nhưng cũng có tuổi cần thận trọng trong giao tiếp và chi tiêu. Dù vận trình mỗi người khác nhau, sự chủ động, kiên trì và khả năng cân bằng cảm xúc sẽ giúp bạn có thêm động lực để đón nhận những điều mới mẻ trong ngày.
VIDW 2026: Thúc đẩy quản trị AI và hợp tác công nghệ số quốc tế

VIDW 2026: Thúc đẩy quản trị AI và hợp tác công nghệ số quốc tế

Diễn ra từ ngày 28-30/10/2026 tại Quảng Ninh, Tuần lễ Số Quốc tế Việt Nam 2026 (VIDW 2026) dự kiến quy tụ 500 đại biểu trong nước và quốc tế, tập trung thảo luận về quản trị trí tuệ nhân tạo (AI), phát triển công nghệ số chiến lược và thúc đẩy hợp tác quốc tế trong nghiên cứu, chuyển giao, thương mại hóa công nghệ.
Tháo gỡ điểm nghẽn, thúc đẩy liên kết viện - trường - doanh nghiệp

Tháo gỡ điểm nghẽn, thúc đẩy liên kết viện - trường - doanh nghiệp

Phó Thủ tướng Chính phủ Hồ Quốc Dũng yêu cầu đẩy mạnh liên kết giữa viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp, chuyển mạnh từ nghiên cứu theo đề xuất sang nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, lấy sản phẩm và hiệu quả thương mại hóa làm thước đo.
Liên hiệp Hội Việt Nam phát huy vai trò điều phối trí tuệ liên ngành

Liên hiệp Hội Việt Nam phát huy vai trò điều phối trí tuệ liên ngành

Sáng 23/10, tại Hà Nội, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam tổ chức hội thảo “Giải pháp phát huy vai trò của Liên hiệp Hội Việt Nam là cầu nối giữa các hội thành viên, đội ngũ trí thức KH&CN với cơ quan Đảng, Nhà nước và Mặt trận Tổ quốc (MTTQ) trong các hoạt động tư vấn, phản biện và giám định xã hội”.
Thị trường chứng khoán ngày 23/10: Dòng tiền đổ vào nhóm ngân hàng, VN Index có phiên tăng thứ tư liên tiếp

Thị trường chứng khoán ngày 23/10: Dòng tiền đổ vào nhóm ngân hàng, VN Index có phiên tăng thứ tư liên tiếp

VN Index tăng 13,52 điểm và nối dài chuỗi tăng lên bốn phiên liên tiếp. Dòng tiền tập trung mạnh vào nhóm ngân hàng với giá trị giao dịch vượt 5 nghìn tỷ đồng, giúp thị trường đảo chiều tích cực trong nửa cuối phiên chiều.
Ứng dụng AI Vision để kiểm soát lỗi trong dây chuyền sản xuất giày da

Ứng dụng AI Vision để kiểm soát lỗi trong dây chuyền sản xuất giày da

Zetamotion, công ty chuyên về giải pháp kiểm tra ngoại quan bằng AI, đã giới thiệu Trạm kiểm tra giày Spectron 01 (SSIS01), được đặt biệt danh là "Shoe Box", tại Triển lãm quốc tế thiết bị, máy móc ngành dệt may và da giày (VFM 2026) diễn ra tại Trung tâm Hội chợ và Triển lãm Sài Gòn (SECC) từ ngày 14-17/10.
master