i Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH : K K Ĩ Ĩ T T H H U U Ậ Ậ T T Đ Đ I I Ệ Ệ N N T T Ử Ử T T Ê Ê N N Đ Đ Ề Ề T T À À I I : : NGHIÊN CỨU, SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ PLC ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỂU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN ỨNG DỤNG TẠI TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CƠ ĐIỆN VÀ XÂY DỰNG BẮC NINH C C H H U U Y Y Ê Ê N N N N G G À À N N H H : : K K Ĩ Ĩ T T H H U U Ậ Ậ T T Đ Đ I I Ệ Ệ N N T T Ử Ử H H Ọ Ọ C C V V I I Ê Ê N N : : H H O O À À N N G G T T H H U U H H À À L L Ớ Ớ P P : : K K T T Đ Đ T T - - K K 1 1 3 3 ii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Hoàng Thu Hà Học viên lớp: Cao học khoá 13 - Kỹ thuật điện tử - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên Xin cam đoan đề tài: “Nghiên cứu, sử dụng công nghệ PLC để thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện ứng dụng tại trƣờng CĐN cơ điện và xây dựng Bắc Ninh” được sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Thanh Hà là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực, đúng như trong đề cương và chưa từng được ai công bố. Các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Thái Nguyên, ngày 20 tháng 11 năm 2012 Học viên Hoàng Thu Hà iii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn Điện tử viễn thông - Khoa Điện tử - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến với các thầy giáo, cô giáo trong khoa và khoa Sau đại học vì sự giúp đỡ tận tình này. Tôi đặc biệt cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Thanh Hà đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong thời gian thực hiện đề tài này. Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ, động viên của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp trong suốt thời gian qua. Mặc dù đã cố gắng , song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn đồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Hoàng Thu Hà iv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Nội dung Trang Lời cam đoan………………………………………………………… i Lời cảm ơn……………………………………………………………. ii Mục lục……………………………………………………………… iii Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt………………………………… viii Danh mục các bảng biểu……………………………………………… xi Danh mục các hình vẽ……………………………………………… xii Lời nói đầu……………………………………………………………. xvi Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PLC 1.1 Lịch sử phát triển công nghệ PLC 1 1.1.1 Khái niệm PLC. 1 1.1.2. Một số thành tựu đạt được của PLC 5 1.1.3. Phân loại công nghệ 6 1.1.3.1. Phân loại theo mức điện áp 6 1.1.3.2. Phân loại theo tốc độ bít 7 1.1.3.3. Phân loai theo phạm vi 7 1.1.3.4. Phân loại theo phương thức điều chế 8 1.2. Nguyên lý cơ bản và sơ đồ khối của hệ thống truyền thông tin trên đường cáp điện lực 9 1.2.1. Nguyên lý cơ bản của hệ thống 9 1.2.2. Sơ đồ khối của hệ thống. 10 1.2.2.1. Khối cách ly (Power Line Isolation) 10 1.2.2.2. Khối điều chế tín hiệu (Signal Modulation) 11 1.2.2.3 . Khuếch đại của bộ phát và bộ thu (Signal Amplification) 11 1.2.2.4. Khối giải điều chế tín hiệu (Signal Demodulation) 11 v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.3. Các giao thức truyền thông qua đường dây điện lực 11 1.3.1. X10 12 1.3.2.Lonwork 13 1.3.3. CEBus 14 1.3.4. HomePlug 16 1.4. Một số ứng dụng thực tiễn của PLC 17 1.4.1. Ứng dụng trong các hệ thống quản lý, giám sát lưới điện và công tơ. 18 1.4.2. Truyền thông đường dài tốc độ cao 18 1.4.3. Mạng truy cập Internet sử dụng công nghệ PLC 19 1.4.4. Ứng dụng trong gia đình – Intelligent home 19 1.5. Kết luận chương 20 Chương 2 MỘT SỐ KỸ THUẬT TRIỂN KHAI TRÊN HỆ THỐNG PLC 2.1. Đặc tính kênh truyền đường cáp điện 24 2.1.1. Sự giới hạn băng thông 25 2.1.2. Nhiễu trên đường cáp điện 26 2.1.2.1. Nhiễu tần số 50Hz. 27 2.1.2.2. Nhiễu xung đột biến. 27 2.1.2.3. Nhiễu xung tuần hoàn 27 2.1.2.4. Nhiễu xung kéo dài 28 2.1.2.5. Nhiễu chu kỳ không đồng bộ 29 2.1.2.6. Nhiễu sóng radio 29 2.1.2.7. Nhiễu nền 29 2.1.3. Trở kháng đường truyền và sự phối hợp trở kháng…………………….29 2.1.4. Suy hao trên lưới điện 30 2.1.5. Hiện tượng sóng dừng 31 vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.1.6 Sự phát xạ sóng điện từ và khả năng gây nhiễu 32 2.2. Ghép nối với lưới điện – xử lý tín hiệu 33 2.2.1. Mạch ghép tín hiệu 33 2.2.1.1. Mạch ghép dung kháng C 34 2.2.1.2 Mạch ghép kết hợp cảm kháng và dung kháng L-C 36 2.2.1.3. Mạch phối ghép R-L-C phức tạp 37 2.2.2. Các bộ lọc tương tự 37 2.2.2.1. Mạch lọc RC 37 2.2.2.2. Mạch lọc LC 38 2.2.2.3 Các mạch lọc bậc cao khác 39 2.3. Các phương thức mã hóa 40 2.3.1 Mã xoắn 40 2.3.2. Mã Reed – Solomon 44 2.4. Các phương thức điều chế tín hiệu 48 2.4.1 Tổng quan về kỹ thuật điều chế trong viễn thông. 48 2.4.2 Điều chế dạng khoá dịch biên độ ASK. 50 2.4.3 Điều chế dạng khoá dịch tần số FSK. 51 2.4.4 Điều chế dạng khoá dịch pha PSK và khoá dịch pha vi phân DPSK 52 2.4.5 Các dạng điều chế sử dụng trong viễn thông điện lực. 53 2.4.5.1 Sử dụng điều chế để giảm xuyên nhiễu. 53 2.4.5.2 Sử dụng điều chế đế tăng tốc độ truyền dữ liệu. 55 2.5. Kỹ thuật trải phổ 56 2.5.1. Trải phổ dãy trực tiếp 57 2.5.1.1. Trải phổ dãy trực tiếp kiểu BPSK 57 2.5.1.2.Trải phổ dãy trực tiếp kiểu QPSK 61 2.5.2. Trải phổ nhảy tần FH-SS (Frequence Hopping Spread Spectrum) 63 2.6. Công nghệ OFDM 64 vii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.6.1. Nguyên tắc cơ bản của OFDM 65 2.6.2. Tính trực giao 66 2.6.3 Hệ thống OFDM 68 2.6.4 Chống nhiễu liên ký hiệu (ISI) bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ 70 2.7 Kết luận chương 71 Chương 3 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PLC THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN 3.1 Giới thiệu 72 3.1.1 Lịch sử trường 72 3.1.2 Cơ sở hạ tầng của trường 72 3.1.3 Thực trạng hệ thống điện của nhà trường. 73 3.1.3.1 .Các thiết bị điện: 73 3.1.3.2. Những bất cập của hệ thống điện hiện nay: 74 3.1.4. Các yêu cầu trong thiết kế 75 3.2 Modem truyền thông Philip TDA5051 76 3.2.1. Modem truyền thông trên đường dây điện 76 3.2.2. Modem truyền thông Philip TDA5051 77 3.2.3. Kết nối modem Philips TDA5051A 81 3.3. Bộ vi điều khiển PIC16F877 82 3.3.1 Giới thiệu về vi điều khiển PIC16F877 82 3.3.2 Mạch điều khiển 85 3.3.3 Giao tiếp điều khiển 87 3.3.4 Lập trình PIC16F877 88 3. 4. Mạch nạp PIC16F877 90 3.5 Sơ đồ mạch 91 3.5.1 Khối cấp nguồn 91 3.5.2. Mạch ghép 91 viii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.5.3. Mạch lọc 92 3.5.4. Mạch đồng bộ 93 3.5.5. Tổng hợp mạch 93 3.5.6. Bảng mạch in (PCB – Printed circuir broad) 95 3.5.7 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 97 3.6 . Các kết quả thu được 99 3.7 . Kết luận chương 100 Kết luận và kiến nghị………………………………………………………… 101 Tài liệu tham khảo…………………………………………………………… 103 Phụ lục 1……………………………………………………………………… 105 Phụ lục 2……………………………………………………………………… 111 ix Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt ASIC Application Specific Intergrate Circuit Mạch tích hợp ứng dụng đặc biệt AM Amplitude Modulation Điều biên AMR Automated Meter Reading Tự động đọc công tơ AMM Automated Meter Management Tự động quản lý công tơ ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BSC Base Station Control Điều khiển trạm gốc BSK Binary Shift Keying Khoá dịch pha cơ hai BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc CDMA Code Divission Multiplex Access Đa truy nhập phân chia theo mã CEPT Conference of European Posts and Telecommunication Administrations Hội nghị về quản lý bưu chính viễn thông Châu Âu CIS Customer Information Service Dịch vụ thông tin khách hàng DCU Data Concentration Unit Đơn vị tập trung dữ liệu DM Delta Modulation Điều tần DS Direct Sequence Chuỗi trực tiếp DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ dãy trực tiếp DPSK Differential Phase Shift Keying Khóa dịch pha vi phân EPRI Electrical Power research Institution Viện nghiên cứu điện năng FFH Fast Frequency Hopping Nhảy tần nhanh. FH Frequency Hopping Nhảy tần FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum Trải phổ nhảy tần FM Frequency Modulation Điều tần FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần FDM Frequency Division Multiplexing Đa truy nhập theo tần số FPGA Field Programmable Gate Array Phạm vi có thể lập trình cổng mạng GSM Global System for Mobile Điện thoại di động toàn cầu x Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn communication HCS Host Center Station Trạm máy chủ trung tâm HLR Home Local Register Thanh ghi định vị thường trú HPR High Power Radio Kênh vô tuyến công suất cao IMEI International Mobile Equipment Identifier Nhận dạng thiết bị di động quốc tế IMSI International Mobile Subscriber Identifier Nhận dạng thuê bao di động quốc tế ISDN Intergrated Service Digital Network Mạng số tổ hợp dịch vụ ISI Inter Symbol Interference Nhiễu ISI LAN Local Area Network Mạng khu vực LPR Low Power Radio Kênh vô tuyến công suất thấp MIU Đơn vị giao tiếp đồng hồ Đơn vị giao tiếp đồng hồ . MS Mobile Station Máy di động MSC Mobile Switching Center Trung tâm chuyển mạch di động OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Điều chế đa sóng mang PC Personal Computer Máy tính cá nhân PCM Pulse Code Modulation Điều chế xung mã PIN Personal Identification Number Số nhận dạng cá nhân PLC Power Line Communication Truyền thông trên đường cáp điện PLL Phase Locked Loop Vòng khóa pha PLM Power Line Modem Modem điện lực PRBS Pseudo Random Binary Sequence Chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha PSTN Public Switching Telephone Netwwork Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên cầu phương Q-PSK Quadrature Phase Shift Keying Khoá dịch pha cầu phương RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RMR Remote Meter reading Đọc công tơ từ xa RTU Remote Tranceiver Unit Thiết bị phát từ xa một chiều [...]... cứu, sử dụng công nghệ PLC để thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện ứng dụng tại trƣờng CĐN cơ điện và xây dựng Bắc Ninh “ Đề tài gồm các nội dung chính như sau: Chương 1: Tổng quan về công nghệ PLC – Trình bày nguyên lý cơ bản và sơ đồi khối của một hệ thống thông tin PLC bất kỳ; Chỉ ra các ứng dụng cơ bản của Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn xviii PLC; ... hệ thống PLC bao gồm phối ghép lưới điện, mã hóa, điều chế, trải phổ… Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện sử dụng công nghệ PLC – Trên cơ sở các kiến thức có được từ chương 1 và 2 chương này ứng dụng vi điều khiển PIC thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện thông qua đường dây điện lực Cuối cùng là những phân tích đánh giá nhằm rút ra kết luận và hướng phát triển của đề tài Do đây là một đề tài... lớn của công nghệ PLC khi chuẩn UPB & PLCBUS ra đời Công nghệ UPB & PLCBUS sử dụng sóng mang có dải tần từ 4-40Khz, điện áp tín hiệu 40V để truyền tín hiệu điều khiển Không giống như X10 sử dụng tần số sóng mang cố định 120Khz, các thiết Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 bị sử dụng công nghệ UPB & PLCBUS sẽ chọn ra trong dải tần 4-40Khz một tần số ít bị can... UPB&PLCBUS có chung đặc điểm: tốc độ truyền cao, dễ lắp đặt, không cần đi dây điều khiển, dễ thêm mới thiết bị, không cần bộ lọc, không cần tách riêng đường cấp nguồn, khả năng bảo toàn thông tin cao (99,98%) tương đương với các thiết bị sử dụng công nghệ IBUS như EIB, Cbus Các thiết bị UPB&PLCBUS; được xây dựng với ID CODE và LINK PASSWORD ngăn chặn việc điều khiển thiết bị từ các hệ thống không được phép... tín hiệu điều khiển Các sản phẩm sử dụng công nghệ X10 có ưu điểm là dễ lắp đặt, giá thành thấp và không phải đi thêm dây điều khiển Tuy nhiên các sản phẩm X10 có điểm yếu là chịu tác động rất lớn của nhiễu đường truyền, tính bảo mật của thiết bị sử dụng công nghệ X10 không cao, tốc độ truyền thấp, khả năng bảo toàn thông tin thấp (70-80%) Từ đó đến nay công nghệ PLC không ngừng được nghiên cứu và phát... điện hạ thế và trung thế Hay hiện nay, công nghệ PLC được sử dụng cho các ứng dụng trong nhà như hệ thống giám sát, cảnh báo, tự động hoá Ý tưởng truyền tín hiệu thông tin trên đường dây tải điện đã được sử dụng từ lâu bằng cách sử dụng phương thức điều chế bật tắt sóng mang tin (turn on – turn off carrier) Giống như các công ty điện lực trên thế giới, từ lâu Tổng công ty Điện lực Việt Nam đã sử dụng. .. phía phát Cáp điện Bảo vệ quá áp Biến áp với bộ lọc thông cao a Ghép tín hiệu vào đƣờng dây điện Cáp điện Biến áp với bộ lọc thông cao Dòng điện chính Bộ lọc dải vào Xử lý số liệu b.Tách tín hiệu ra khỏi đƣờng dây điện Hình 1.3 Ghép và tách tín hiệu ra khỏi đường dây điện Phía thu, bộ lọc được dùng để cách ly tín hiệu điện và tín hiệu số liệu Bộ lọc thông cao sẽ chặn lại tín hiệu dòng điện chính 50/60Hz,... từ đường dây điện lực 1.2.2.4 Khối giải điều chế tín hiệu (Signal Demodulation) Tần số điều chế được sử dụng trong bộ phát để điều chế tín hiệu vào Trong mạch thu, tín hiệu điều chế tần số này được khôi phục Với bộ dao động điều khiển bằng điện áp hoạt động tuyến tính và ổn định sử dụng cho điều chế tần số với độ méo nhỏ 1.3 Các giao thức truyền thông qua đƣờng dây điện lực Có nhiều công nghệ truyền... CODE và LINK PASSWORD của công nghệ UPB&PLCBUS Nhược điểm của công nghệ UPB&PLCBUS là khó cài đặt hơn so với thiết bị X10 do phải cài ID CODE và LINK PASSWORD cho từng thiết bị Để có thể truyền thông tin qua phương tiện truyền dẫn là đường dây dẫn điện, cần phải có các thiết bị đầu cuối là PLC modem, các modem này có chức năng biến đổi tín hiệu từ các thiết bị viễn thông truyền thống như máy tính, điện. .. một số hướng ứng dụng cụ thể như sau 1.4.1 Ứng dụng trong các hệ thống quản lý, giám sát lưới điện và công tơ Hình 1.8: Ứng dụng PLC trong quản lý điện Mỗi công tơ điện được gắn thêm một thiết bị thu phát PLC, thông tin trên công tơ sẽ được truyền về trung tâm, như thế việc quản lý và thu thập số liệu sẽ đơn giản hơn rất nhiều so với cách làm truyền thống là phải cử người đến từng công tơ để lấy số liệu . T T À À I I : : NGHIÊN CỨU, SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ PLC ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỂU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN ỨNG DỤNG TẠI TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CƠ ĐIỆN VÀ XÂY DỰNG BẮC NINH C C H H U U Y Y Ê Ê N N . Thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện sử dụng công nghệ PLC – Trên cơ sở các kiến thức có được từ chương 1 và 2 chương này ứng dụng vi điều khiển PIC thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện thông qua. sử dụng khoảng bảo vệ 70 2.7 Kết luận chương 71 Chương 3 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PLC THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN 3.1 Giới thiệu 72 3.1.1 Lịch sử trường 72 3.1.2 Cơ sở hạ tầng của trường