Tải bản đầy đủ

Thiết kế và thi công mạch điều khiển và giám sát thiết bị 220VAC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ
GIÁM SÁT THIẾT BỊ 220VAC

Ngành:

KỸ THUẬT ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

Giảng viên hướng dẫn : Th.S Phạm Quốc Phương
Sinh viên thực hiện

: Trần Hồng Phúc

MSSV


: 1311020025

Lớp

: 13DDC01

TP. Hồ Chí Minh, 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép của ai. Nội

dung luận văn có tham khảo và sử dụng tài liệu, thông tin đăng trên các tác phẩm, tạp
chí và các trang web theo danh mục tài liệu của luận văn.
T.P Hồ Chí Minh, ngày 25, tháng 12, năm 2017
Trần Hồng Phúc

Commented [pt1]:


LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô đã hướng dẫn và chỉ bảo hết sức tận tình
thời gian em làm Đồ Án Tốt Nghiệp vừa qua, đặc biệt là Viện Kỹ Thuật Hutech đã
tạo điều kiện thuận lợi nhất cho em hoàn thành đồ án này. Em cũng vô cùng biết ơn
Thầy Phạm Quốc Phương là người trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo tận tình cho em
hoàn thành đồ án Thiết Kế và Thi Công mạch điều khiển và giám sát thiết bị 220vac.
Vì là lần đầu tiên thiết kế và thi công mạch với kiến thức và thời gian có hạn nên
không tránh khỏi nhiều sai sót. Với ước mong học hỏi, em rất mong nhận được sự chỉ
bảo đóng góp của các thầy cô hướng đẫn rút kinh nghiệm để lần sau làm tốt hơn


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ ......................................................................................1
1.1 Giới thiệu khái quát đề tài: .................................................................................1
1.2 Khái quát về công nghệ PLC ( power-line communication): ............................1
1.2.1. Định nghĩa:..................................................................................................1
1.2.2 Lịch sử phát triển của PLC: .........................................................................2
1.2.3 Các Chuẩn PLC..........................................................................................10
1.2.4 Ứng Dụng:..................................................................................................12
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .........................................................................13



2.1. Một số vấn đề cần lưu ý trong PLC: ...............................................................13
2.1.1 Nhiễu điện: .................................................................................................13
2.1.2 Suy hao:......................................................................................................13
2.1.3 Phối hợp trở kháng: ....................................................................................13
2.1.4 Mạng PLC tốc độ thấp (Lowspeed Powerline)..........................................13
2.2 Cấu trúc hệ thống PLC: ....................................................................................15
2.3 các phần tử mạng PLC: ....................................................................................16
2.3.1 các phần tử cơ bản: ....................................................................................16
2.3.2 trạm lặp: .....................................................................................................17
2.2.3 Cổng kết nối PLC: .....................................................................................18

2.3 Kết nối đến mạng lỗi và truy cập PLC:............................................................19
2.3.1 Các mô hình kết nối: ..................................................................................19
2.3.2 Quản lí mạng truy cập PLC: ......................................................................22
2.4 Các yếu tố ảnh hưởng trong truyền thông PLC: ..............................................23
2.4.1 Đặc tính kênh truyền đường cáp điện: .......................................................23
2.4.2 Sự giới hạn băng thông: .............................................................................24
2.4.3 Nhiễu trên đượng cáp điện: ........................................................................26
2.4.4 Nhiếu tần số 50Hz:.....................................................................................26
2.4.5 Nhiễu xung đột biến: ..................................................................................26
2.4.6 Nhiễu xung tuần hoàn: ...............................................................................27
2.4.7 Nhiễu xung kéo dài: ...................................................................................28
2.4.8 Nhiễu chu kì không đồng bộ: .....................................................................28
2.4.9 Nhiễu sóng radio: .......................................................................................29


2.4.10 Nhiễu nền: ................................................................................................29
2.5 Trở kháng đường truyền và sự phối hợp trở kháng: ........................................29
2.6 Suy hao trên lưới điện: .....................................................................................30
2.7 Hiện tượng sóng dừng ......................................................................................30
2.8 Sự phát xạ sóng điện từ và khả năng gây nhiễu ...............................................31

2.9 Tổng trở và sự suy giảm...................................................................................32
2.10 Mạch power-line communication KQ-130F: .................................................33
2.10.1 Giới thiệu về mạch power-line communication: .....................................34
2.10.2 sơ đồ nguyên lí của mạch power-line communication: ...........................35

2.11 Giới thiệu về Arduino và trình biên dịch: ......................................................37
2.11.1 Giới thiệu chung về Arduino ...................................................................37
2.11.2 Giới thiệu về ngôn ngữ lập trình và trình biên dịch Arduino ..................38
2.12 vi điều khiển ATmega328p-AU:....................................................................39
2.13. Mạch biến đổi điện áp 220VAC-5VDC: ......................................................42
2.14. Cảm ứng 1 chạm điện dung TTP223B: ........................................................44
2.15. Module relay bán dẫn 5VDC: .......................................................................45
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ................................................................47

3.1 Thiết kế: ...........................................................................................................47
3.1.1: sơ đồ tương tác giữa các module: .............................................................47
3.1.2: Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển:.............................................................48
3.1.3 sơ đồ nguyên lí của mạch nhận: .................................................................49
3.1.4 Nguyên lí hoạt động của mạch...................................................................50
3.1.5 Thiết kế mạch PCB trên phần mềm Proteus: .............................................50
3.2 Mạch thi công:..................................................................................................51
3.2.1: Mạch PCB thực tế: ....................................................................................51
3.2.2: Hoạt động thực tế của mạch: ....................................................................52

3.3 Kết quả thực nghiệm: .......................................................................................53
3.3.1: Thực nghiệm với khoảng cách truyền 1m không qua các thiết bị khác: ..53
3.3.2: Thực nghiệm với khoảng cách truyền khoảng 11m không qua các thiết bị
khác: ....................................................................................................................54
3.3.3: Thực nghiệm với đường truyền 25m kết nối mạng điện gia đình: ...........55


CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN- ĐÁNH GIÁ. .................................................................58
4.1 Kết luận: ...........................................................................................................58
4.1.1: Ưu điểm: ...................................................................................................58
4.1.2: Khuyết điểm:.............................................................................................58
4.2 Đánh giá hướng phát triển: ..............................................................................59


LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây trên thế giới cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành

công nghiệp chế tạo linh kiện bán dẫn và vi mạch tổng hợp, một hướng phát triển mới
của các vi xử lý đã hình thành đó là các vi điều khiển. Với nhiều ưu điểm, vi điều
khiển đã được sử dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực khác nhau. Bằng cách áp dụng vi
đều khiển trong quá trình sản xuất và xử lý, vi điều khiển đã thực sự thể hiện được

ưu thế của mình so với các thiết bị điều khiển thông thường.Vì những lý do trên, trong
nhiều trường Đại Học, Cao Đẳng, vi xử lý thực sự trở thành một môn học hết sức
quan trọng. Môn học có nhiều ứng dụng vào thực tiễn như điều khiển các hoạt động
của các thiết bị điện- điện tử mà ở đó xử lí hoàn toàn tự động mà ít có sự can thiệp từ

phía con người. Việc đó làm cho sự can thiệp của con người được giảm thiểu, giúp
được an toàn trong lao động, vận hành cũng như điều khiển. Vi điều khiển cũng được
ứng dụng rộng rãi trong đời sống hằng ngày, ngày càng nhiều các công trình nghiên
cứu và đã ứng dụng vào thực tế như: nhà thông minh, giúp cho việc điều khiển các

thiết bị ở một căn hộ hoàn toàn tự động tùy vào mục đích sử dụng của cá nhân. Điều
khiển căn hộ từ xa thông qua wifi, internet,… cũng như là giám sát hoạt động của các
thiết bị trong căn hộ. Vi điều khiển cũng được ứng dụng trong nghành sản xuất như
trong công nghiệp các máy móc điều khiển hoàn toàn tự động và được điều khiển bởi

PLC công nghiệp, về nông nghiệp đã có các dự án về phát triển hệ thống nhà vườn
thông minh mà ở đó chăm sóc, nuôi trồng được thực hiện một cách tự động thông
qua xử lí của vi điều khiển đã được lập trình sẵn và các cảm biển cung cấp thông tin
cho vi điều khiển hoạt động.

Vì lí do đó nên việc ứng dụng điều khiển thiết bị điện thông qua phương pháp PLC
(power-line communication) cực kì quan trọng trong các ứng dụng tự động hóa. Và
đề tài thiết kế và thi công điều khiển thiết bị điện 220VAC thông qua phương pháp


PLC được thực hiện. Đề tài có thể giúp hoàn thiện hơn về hiểu biết về truyền thông
qua đường dây điện PLC, ứng dụng của vi điều khiển để điều khiển hoạt động của
các thiết bị điện 220VAC nhằm hoàn thiện hơn về thiết kế một nhà thông minh, các

công trình điều khiển các thiết bị mà chỉ cần 1 đường dây truyền tải điện năng mà
không cần thêm đường dây nào khác. Về đề tài đang nghiên cứu điều khiển một thiết
bị điện 220VAC thông qua phương pháp PLC qua đó có thể phát triển rộng và ứng
dụng vào cuộc sống hằng ngày. Việc nghiên cứu và thực hiện đề tài sử dụng các phần

mềm chuyên dụng cho việc thiết kế và lập trình cũng như mô phỏng hoạt động của
mạch như: Proteus một phần mềm mô phỏng hoạt động của một mạch nguyên lí ,
Arduino IDE phần mềm viết code cho vi điều khiển thuộc họ ATmega có mã nguồn

mở. Thông qua quá trình thực hiện đề tài giúp ta nằm rõ được việc thi công một mạch
PCB, lập trình cho vi điều khiển có họ ATmega và phương pháp hoạt động của
phương pháp PLC. Đề tài gồm có 4 chương :
Chương 1: Giới thiệu khái quát về công nghệ PLC.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về các module sử dụng.
Chương 3: Thiết kế, thi công, thực nghiệm và kết quả đạt được
Chương 4: Kết luận, đánh giá hướng phát triển của đề tài.


CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1 Giới thiệu khái quát đề tài:

- Hiện nay với sự phát triển không ngừng nghỉ của khoa học kĩ thuật và công nghệ,
việc sử dụng năng lượng trong quá trình sản xuất, sử dụng trong hộ gia đình, chiếu
sáng,… ngày càng không ngừng phát triển.

- Đáp ứng sự phát triển đó công nghệ truyền thông qua đường dây điện đã và đang
được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực trong công nghiệp cũng như
đời sống. Công nghệ truyền thông qua đường dâu điện gọi tắt là PLC ( power-line
communication ) được ứng dụng nhiều trong đời sống như ứng dụng điều khiển trong
nhà thông minh, sử dụng trong các tòa nhà, văn phòng mà ở đó không sử dụng sóng
truyền hoặc cần bảo mật. Xuất phát từ ý tưởng đó với đề tài ứng dụng công nghệ PLC
là thiết kế và thi công mạch điều khiển thiết bị 220VAC đã ra đời.
1.2 Khái quát về công nghệ PLC ( power-line communication):

1.2.1. Định nghĩa:
- công nghệ truyền thông PLC (power-line communication) là công nghệ sử dụng
mạng lưới đường dây điện cho mục đích truyền tải thông tin nhằm tiết kiệm chi phí
đầu tư. Để có thể truyền thồng tin qua phương tiện truyền dẫn là dây 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 thoại sang một định dạng
phù hợp để truyền qua đường dây dẫn điện. Hiện nay, công nghệ PLC được sử dụng
cho các ứng dụng thương mại trong nhà như hệ thống giám sát, cảnh báo, tự động

hóa… Các ứng dụng truyền tin dựa trên PLC hiện đang còn rất nhiều tiềm năng cần
được tiếp tục khái phá.

1

Commented [P2]: Định dạng lại
Commented [P3]: Chỉnh lại khoảng cách
Ghi tiêu đề theo
Chương 1:
1.1
1.1.1
1.1.2
1.2
Làm cho tất cả các chương


1.2.2 Lịch sử phát triển của PLC:
-Truyền thông đường dây điện hẹp đã bắt đầu ngay sau khi nguồn cung cấp điện

trở nên phổ biến. Khoảng năm 1922, các hệ thống tần số sóng mang đầu tiên bắt đầu
hoạt động trên các đường dây cao áp với tần số từ 15 đến 500 kHz cho các mục đích
đo từ xa và điều này vẫn tiếp diễn. Các sản phẩm tiêu dùng như báo thức cho trẻ sơ
sinh đã có sẵn ít nhất từ năm 1940. Vào những năm 1930, tín hiệu sóng mang gợn

sóng đã được đưa vào hệ thống phân phối trung bình (10-20 kV) và điện áp thấp
(240/415 V).
-Électricité de France (EDF) đã phát triển một hệ thống được gọi là "phím thay
đổi tần số lan truyền" hoặc S-FSK. Xem IEC 61334. Đây là một hệ thống chi phí thấp
đơn giản với một lịch sử lâu dài; tuy nhiên nó có tốc độ truyền rất chậm, từ 200 đến
800 bit / giây. Vào những năm 1970, Công ty Điện lực Tokyo đã tiến hành các thí
nghiệm báo cáo hoạt động hai chiều thành công với hàng trăm đơn vị.GridComm đã

quảng cáo "GridNet tốc độ cao, không có lỗi", mà nó mô tả bằng cách sử dụng "mạng
lưới điện hiện tại của bạn như là một phương tiện truyền dữ liệu hiệu quả cao" vào
giữa những năm 1980.
-Kể từ đó, đã có một sự gia tăng quan tâm trong việc sử dụng tiềm năng kỹ thuật
truyền thông kỹ thuật số và xử lý tín hiệu số. Các ổ đĩa là để sản xuất một hệ thống
đáng tin cậy mà là giá rẻ đủ để được cài đặt rộng rãi và có thể cạnh tranh chi phí có
hiệu quả với các giải pháp không dây. Tuy nhiên, kênh truyền thông đường dây hẹp
cho thấy nhiều thách thức kỹ thuật; một mô hình kênh toán học và một cuộc khảo sát
về công việc đã có sẵn.
-Đường dây mạng (PLN) sử dụng hệ thống dây điện hiện tại, dù là trong tòa nhà
hay trong mạng lưới điện, như cáp mạng, có nghĩa là chúng cũng mang tín hiệu dữ

2


liệu. Nó có thể là một phương tiện mở rộng mạng hiện có vào những địa điểm mới
mà không cần thêm dây mới.

-Ví dụ, một máy tính có thể được nối tới một bộ định tuyến như sau: một bộ
chuyển đổi được kết nối với một bộ định tuyến của một mạng cục bộ có dây có sẵn,
thông qua cổng mạng của nó. Bộ sạc thứ hai được kết nối với thiết bị Ethernet sẵn
sàng như máy tính. Khi cả hai adapter cắm vào ổ cắm trên tường, họ sẽ có kết nối

mạng thông qua hệ thống dây điện giữa hai ổ cắm tường đang được sử dụng.Một số
thiết bị mạng, chẳng hạn như bộ định tuyến hoặc thiết bị chuyển mạch, cũng có kết
nối dây nguồn được tích hợp. Điều này không có dây mới vì chúng cần phải được
cắm vào tường để hoạt động mọi lúc. Đường dây điện được chuyển thành đường dữ

liệu thông qua sự chồng chéo của một tín hiệu thông tin năng lượng thấp với sóng
điện. Vì điện là 50 hoặc 60 Hz, dữ liệu được truyền ở ít nhất 3 kHz để đảm bảo rằng
sóng điện không can thiệp vào tín hiệu dữ liệu.

-Một thách thức về kỹ thuật là do dây điện không được che chở và không bị tắc
nghẽn, dây hoạt động như một ăng-ten, do đó dây điện phát ra năng lượng vô tuyến,
gây nhiễu cho những người sử dụng hiện có của cùng một băng tần. Các đường dây
điện cũng có thể hoạt động như các ăng-ten thu và nhận tín hiệu từ tín hiệu vô tuyến.

-Trong nhiều khu vực pháp lý, việc truyền như vậy là bất hợp pháp. Hoa Kỳ là
một ngoại lệ, cho phép các tín hiệu băng rộng hạn chế được đưa vào dây không được
che chở, miễn là dây không được thiết kế để truyền sóng radio trong không gian tự
do.
-Kết nối PLC có nhiều ưu điểm so với kết nối không dây; tuy nhiên chất lượng
của kết nối vẫn sẽ phụ thuộc vào chất lượng của hệ thống điện trong nước. Các dây
nối và bộ ngắt mạch không thích hợp giữa các cáp nối có thể ảnh hưởng tiêu cực đến
hiệu suất, và có thể gây gián đoạn kết nối. PLC (cùng với 12 loại sản phẩm khác) đã

3


được liên quan đến việc sản xuất "sự can thiệp không cần thiết với bộ máy điện tín
không dây". Tại Vương quốc Anh, đã có 158 và 114 vụ khiếu nại trong năm 2013 và
2014 tương ứng trên tất cả 13 loại sản phẩm. Các loại sản phẩm này đang được tăng

cường kiểm tra để đảm bảo điều này tránh được.
-Các topo PLC được xác định bởi topo của mạng lưới cung cấp điện áp thấp được
sử dụng như một phương tiện truyền dẫn. Mặc dù trường hợp này, một mạng PLC có

thể được tổ chức phụ thuộc vào nhu cầu hoạt động
- Topology phụ thuộc vào bốn yếu tố. Đó là:
1.Vị trí của mạng: một mạng PLC có thể được đặt trong một môi trường kinh
doanh, nhà ở, hoặc một môi trường công nghiệp.

2.Mật độ người dùng của mạng: phụ thuộc vào số người dùng trong mạng điện
áp thấp cũng như nồng độ người dùng, kích thước tô pô tăng lên và co lại. Mật độ
người sử dụng thấp có thể được nhìn thấy trong nhà của người tiêu dùng, trung bình
trong các tòa nhà với số lượng lớn các căn hộ hoặc văn phòng, và lớn trong toàn bộ

tòa nhà chung cư hoặc tháp.
3.Chiều dài của mạng: khoảng cách giữa máy biến áp và khách hàng trong mạng
lưới hạ thế phải được xem xét. Chiều dài phải đáp ứng được nhu cầu về kích thước

của mạng.
4.Thiết kế mạng: mạng điện áp thấp thường bao gồm nhiều phần mạng, khác với
mạng lưới. Các phần này chia nhỏ mạng lưới thành nhiều phần nhỏ hơn để giúp quản

lý dễ dàng hơn.
-PLC có thể được phân nhóm rộng như PLC băng hẹp và PLC băng thông rộng,
còn được gọi là tần số thấp và tần số cao tương ứng. Nó cũng có thể được nhóm như

4


AC hoặc DC. Về mặt chức năng, có bốn dạng cơ bản của truyền thông đường dây
điện:

1.Các ứng dụng nội bộ hẹp: nơi mà dây dẫn gia đình được sử dụng cho các dịch
vụ tốc độ bit thấp như tự động hóa gia đình và thiết bị liên lạc nội bộ.
2.Các ứng dụng ngoài trời hẹp: chủ yếu được sử dụng bởi các công ty tiện ích để
đọc đồng hồ tự động và giám sát và điều khiển từ xa.
3.Các ứng dụng trong nhà băng rộng: đường dây nguồn điện có thể được sử dụng
để truyền dữ liệu tốc độ cao cho mạng gia đình.
4.Các ứng dụng ngoài trời băng thông rộng: dây điện ngoài trời có thể được sử
dụng để cung cấp truy cập internet băng thông rộng.

-PLC thu hẹp hoạt động ở tần số thấp hơn (3-500 kHz), tốc độ truyền dữ liệu thấp
(lên đến 100 giây) và có tầm hoạt động dài hơn (vài kilômét), có thể mở rộng sử dụng
bộ lặp. Nó có thể được áp dụng trong lưới điện thông minh trong việc tạo ra năng

lượng thông minh, đặc biệt là trong bộ biến đổi nhỏ cho các tấm pin mặt trời. Tốc độ
dữ liệu và giới hạn về khoảng cách rất khác nhau theo nhiều tiêu chuẩn truyền thông
đường dây điện. Tần số thấp (khoảng 100-200 kHz) các tàu sân bay gây ấn tượng trên
các đường dây cao áp có thể mang theo một hoặc hai mạch thoại tương tự, hoặc các

mạch đo và điều khiển từ xa với tốc độ truyền dữ liệu tương đương là vài trăm bit
mỗi giây; Tuy nhiên, các mạch có thể dài nhiều dặm.
-Thông tin liên lạc vận chuyển điện (PLCC) chủ yếu được sử dụng cho viễn thông,

bảo vệ từ xa và giám sát từ xa giữa các trạm biến áp điện thông qua các đường dây
điện ở các điện áp cao như 110 kV, 220 kV, 400 kV. Điều này có thể được sử dụng
bởi các tiện ích cho các kỹ thuật quản lý năng lượng tiên tiến (như OpenADR và
OpenHAN), phát hiện gian lận và quản lý mạng, đọc đồng hồ tự động (AMR), cơ sở

5


hạ tầng đo lường tiên tiến, kiểm soát tải, và đáp ứng nhu cầu.Một dự án của EDF bao
gồm quản lý nhu cầu, kiểm soát chiếu sáng đường phố, đo lường và thanh toán từ xa,
tối ưu hóa giá cước cụ thể của khách hàng, quản lý hợp đồng, dự toán chi phí và an

toàn ứng dụng khí một tụ điện ghép nối được sử dụng để kết nối các máy phát và thu
vào đường dây cao áp. Cả hai hệ thống một chiều và hai chiều đã được sử dụng thành
công trong nhiều thập kỷ.

-Trong hệ thống một chiều (chỉ gửi đến), các bài đọc "bong bóng" từ các thiết bị
đầu cuối (như mét), thông qua cơ sở hạ tầng truyền thông, tới "trạm tổng thể" xuất
bản các bài đọc. Một hệ thống một chiều có thể là chi phí thấp hơn so với hệ thống
hai chiều, nhưng cũng rất khó để cấu hình lại khi môi trường vận hành thay đổi.Trong

một hệ thống hai chiều, các lệnh có thể được phát ra từ trạm chủ để kết thúc thiết bị
(mét): cho phép tái cấu trúc mạng, hoặc để có được đọc, hoặc để chuyển tải tin nhắn,
vv. Loại phát sóng này cho phép hệ thống truyền thông đồng thời có thể tiếp cận được
hàng ngàn thiết bị, tất cả đều được biết là có điện, và trước đây đã được xác định là

ứng cử viên cho kho tải. PLC cũng có thể là một thành phần của một mạng lưới thông
minh.
-Một trạm lặp lại các nhà cung cấp PLC là một thiết bị mà tại đó một tín hiệu

PLC trên một đường dây điện được làm mới. Do đó, tín hiệu được lọc ra khỏi đường
dây, giải điều chế và điều chế trên một tần số sóng mang mới, và sau đó được đẩy lại
vào đường dây điện trở lại. Vì các tín hiệu PLC có thể mang theo khoảng cách dài
(khoảng 100 km), các thiết bị này chỉ tồn tại trên các đường dây điện dài.Công nghệ

hệ thống phân phối đường dây (DLC) sử dụng dải tần số từ 9 đến 500 kHz với tốc độ
dữ liệu lên đến 576 kbit / s.

6


-Một dự án được gọi là Quản lý năng lượng theo thời gian thực thông qua
Powerline và Internet (REMPLI) được Ủy ban châu Âu tài trợ từ năm 2003 đến năm
2006.

-Trong năm 2009, một nhóm các nhà cung cấp do Iberdrola tài trợ chính thành
lập Liên minh Phát triển Hệ thống Intelligent Metering Evolution (PRIME) của
PoweRline. Khi phân phối, lớp vật lý là OFDM, được lấy mẫu ở 250 kHz, với 512
kênh khóa thay đổi pha khác nhau từ 42-89 kHz. Tốc độ truyền nhanh nhất của nó là
128,6 kilobits / giây, trong khi mạnh nhất của nó là 5,4 kbit / s. Nó sử dụng một mã
xoắn để phát hiện và sửa lỗi. PRIME hỗ trợ IPv6.
-Trong năm 2011, một số công ty bao gồm các nhà khai thác mạng lưới phân phối
(ERDF, Enexis), các nhà cung cấp đồng hồ (Sagemcom, Landis & Gyr) và các nhà
cung cấp chip (Maxim Integrated, Texas Instruments, STMicroelectronics) đã thành
lập Liên minh G3-PLC [26] để quảng bá công nghệ G3- G3-PLC là giao thức lớp
thấp để cho phép cơ sở hạ tầng quy mô lớn trên lưới điện. G3-PLC có thể hoạt động
trên băng tần CENELEC A (từ 35 kHz đến 91 kHz) hoặc băng tần CENELEC B (98
kHz đến 122 kHz) ở Châu Âu, băng tần ARIB (155 kHz đến 403 kHz) ở Nhật và FCC

(155 kHz đến 487 kHz) cho Hoa Kỳ và phần còn lại của thế giới. Công nghệ được sử
dụng là OFDM lấy mẫu ở 400 kHz với điều chế thích ứng và ánh xạ giai điệu. Phát
hiện lỗi và hiệu chỉnh được thực hiện bởi cả mã xoắn và sửa lỗi Reed-Solomon. Kiểm
soát truy cập phương tiện cần thiết được lấy từ IEEE 802.15.4, một chuẩn radio.
Trong giao thức này, 6loWPAN đã được lựa chọn để thích ứng với IPv6 một lớp
mạng internet với các môi trường bị ràng buộc mà là truyền thông đường dây điện.
6loWPAN tích hợp định tuyến, dựa trên LOADng mạng lưới, nén header, phân mảnh
và bảo mật. G3-PLC được thiết kế để truyền thông vô cùng mạnh mẽ dựa trên các kết

7


nối đáng tin cậy và bảo mật cao giữa các thiết bị, bao gồm qua các máy biến áp điện
áp trung thế và hạ thế. Vào tháng 12 năm 2011, công nghệ PLC G3 đã được công
nhận là một tiêu chuẩn quốc tế tại ITU ở Geneva, nơi nó được tham chiếu là

G.9903.(Bộ thu phát truyền thông đường dây ghép kênh phân chia tần số trực giao
hẹp cho mạng G3-PLC).Với việc sử dụng IPv6, cả hai PRIME và G3 cho phép truyền
thông giữa các mét, cơ cấu truyền động lưới cũng như các đối tượng thông minh.

-Universal busline, được giới thiệu vào năm 1999, sử dụng điều chế vị trí
xung.LonTalk, một phần của dòng sản phẩm tự động hóa LonWorks, đã được chấp
nhận như là một phần của một số tiêu chuẩn tự động hóa.Thông thường các thiết bị
truyền thông đường dây điều khiển trong nhà hoạt động bằng cách điều chỉnh sóng

mang từ 20 đến 200 kHz vào dây dẫn gia đình ở máy phát.
-PLC có thể được sử dụng để truyền các chương trình radio qua đường dây điện
trong dải vô tuyến AM.

Băng thông rộng:
Tốc độ dữ liệu cao hơn thường ngụ ý phạm vi ngắn hơn; một mạng cục bộ hoạt động
ở hàng triệu bit mỗi giây (Mbps) chỉ có thể bao phủ một tầng của một tòa nhà văn
phòng, nhưng loại bỏ sự cần thiết phải cài đặt cáp mạng dành riêng.

Trong nhà:
"Ethernet over power" chuyển hướng ở đây. Nó không phải là nhầm lẫn với Power
over Ethernet.PLC băng thông rộng hoạt động ở tần số cao hơn (1,8-250 MHz), tốc

độ dữ liệu cao (lên đến 100 giây của Mbps) và được sử dụng trong các ứng dụng ngắn
hơn. Thông tin liên lạc tần số cao có thể tái sử dụng các phần lớn của quang phổ vô
tuyến để truyền thông, hoặc có thể sử dụng băng tần chọn (thu hẹp), tùy thuộc vào
công nghệ.

8


-Truyền thông đường dây điện cũng có thể được sử dụng trong nhà để kết nối các
máy tính gia đình và thiết bị ngoại vi, và các thiết bị giải trí gia đình có cổng Ethernet.
Các bộ điều hợp cho phép kết nối như vậy thường được quảng cáo là "Ethernet over

power" (EOP). Bộ điều hợp Powerline cắm bộ phích cắm vào ổ cắm điện và thiết lập
một kết nối Ethernet sử dụng dây điện hiện có trong nhà. (Các dải điện có bộ lọc có
thể hấp thụ tín hiệu đường dây) Điều này cho phép các thiết bị chia sẻ dữ liệu mà
không gặp bất tiện khi chạy các cáp mạng chuyên dụng. HomePlug AV, được giới

thiệu vào năm 2005, có tốc độ từ 20Mbit / s đến 60Mbit / s. HomePlug AV được phê
chuẩn bởi đặc tả kỹ thuật IEEE 1901 để đảm bảo khả năng tương tác giữa các bộ điều
hợp từ các nhà cung cấp khác nhau. Powerline AV 500 cung cấp tốc độ từ 90Mbit / s

đến 200Mbit / s. Các công ty và tổ chức khác có các đặc điểm kỹ thuật khác nhau cho
mạng gia đình: bao gồm Universal Powerline Association, SiConnect, HD-PLC
Alliance, Xsilon và đặc tả G.hn của ITU-T. Trong nhà, các tiêu chuẩn HomePlug AV
và IEEE 1901 chỉ định cách sử dụng dây AC hiện có cho dữ liệu. Các sản phẩm IEEE

1901 tương thích với HomePlug. Một số hạn chế trong sử dụng hộ gia đình là hiệu
suất có thể bị xuống cấp bởi một số thiết bị gia dụng nhất định bao gồm thiết bị cơ
giới, chuyển đổi AC-to-DC switchmode, và đèn huỳnh quang; và sử dụng chúng trong
một tòa nhà căn hộ có thể dẫn đến rủi ro về an ninh. Trong năm 2008, ITU-T đã thông

qua G.hn/G.9960 cho đường truyền tốc độ cao, đường dây điện thoại cố định và
đường dây điện thoại.
Ngoài trời:

Sử dụng: Băng thông rộng qua đường dây điện
PLC băng thông rộng hoạt động ở tần số cao hơn (1.8-250 MHz), tốc độ dữ liệu cao
(lên tới 100 giây của Mbps) và được sử dụng trong các ứng dụng ngắn hơn.Băng
thông rộng qua đường dây điện (BPL) là một hệ thống truyền tải dữ liệu hai chiều

9


trên dây điện phân phối AC MV (điện áp trung áp), giữa các máy biến áp, và dây điện
xoay chiều giữa đường biến áp và đầu ra của khách hàng (thường từ 110 đến 240V) .
Điều này tránh được chi phí của một mạng lưới dây dành riêng cho truyền thông dữ

liệu, và chi phí duy trì một mạng lưới ăng-ten, radio và bộ định tuyến trong mạng
không dây. BPL sử dụng một số tần số radio tương tự được sử dụng cho các hệ thống
vô tuyến điện trên không. BPL hiện đại sử dụng phổ tần số nhảy tần số để tránh sử
dụng các tần số thực sự sử dụng, mặc dù các chuẩn BPL từ trước năm 2010 đã không

có. Trước năm 2005, những lời chỉ trích của BPL từ quan điểm này là các tiêu chuẩn
trước khi OPERA. Tiêu chuẩn BPL OPERA được sử dụng chủ yếu ở Châu Âu bởi
các nhà cung cấp dịch vụ Internet. Ở Bắc Mỹ, nó được sử dụng ở một số nơi (ví dụ

như Washington Island, WI) nhưng được sử dụng rộng rãi hơn thông qua các tiện ích
phân phối điện cho đồng hồ thông minh và quản lý tải. Cần có những kỹ thuật tiên
tiến để vượt qua những môi trường trực tiếp ồn ào. Nguyên mẫu hoạt động trong xe
cộ, sử dụng CAN-bus, LIN-bus qua đường dây điện (DC-LIN) và DC-BUS. Hệ thống

điều khiển dòng điện LonWorks đã được sử dụng cho một hệ thống HVAC trong một
mô hình sản xuất xe buýt. Ủy ban SAE J1772 đang phát triển các đầu nối tiêu chuẩn
cho xe điện plug-in đề xuất sử dụng truyền thông đường dây điện giữa xe, trạm thu
phí off-board, và lưới điện thông minh mà không đòi hỏi thêm một chân; SAE và

Hiệp hội Tiêu chuẩn IEEE đang chia sẻ các dự thảo tiêu chuẩn của họ liên quan đến
lưới điện thông minh và điện khí hóa của xe.
1.2.3 Các Chuẩn PLC

Tiêu chuẩn EEC Cenelec (Châu Âu) xác định chuẩn tín hiệu trên đường hạ thế
sử dụng loại sóng mang nằm trong khoảng từ 3 đến 148.5kHz cho PLC, chia thành 5
băng tần nhỏ: Băng tần từ 3 - 9 kHz dành cho nhà cung cấp điện lực.

10


Băng tần A (9 - 95 kHz) dành cho việc trao đổi thông tin giữa khách hàng và
nhà cung cấp. Kiến trúc đa của băng tần A là: 5V ở 9kHz cho tới CENELEC

EN50065 Các đặc tính tối 1V ở 45 kHz cho việc sử dụng băng hẹp. 5V dùng cho
băng thông rộng với 0,75V max đến 200Hz. Biên độ tín hiệu là 0,63V đối với băng
tần B, C và D.
Băng tần B (95 - 125kHz ) được dùng cho khách hàng tuy nhiên không có giao

thức truy nhập nên có thể coi băng này là băng thông tin tự do.
Băng tần C (125 - 140kHz) dành khách hàng sử dụng giao thức truy nhập, sử
dụng giao thức CSMA (CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access with Collision

Detect: Điều chế sóng mang đa truy cập có phát hiện xung đột)
Băng tần D (140 - 148.5kHz) dùng cho người dùng cuối cùng.
- Tiêu chuẩn EIA CE Bus (Bắc Mỹ):
Hệ thống CE truyền dẫn sóng mang trong dải tần số 100 - 400kHz và nó có tốc

độ baud - rate cao nhất tại 6,6 baud. Nó sử dụng loại điều chế âm thanh cho PLC.
PLC được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau:
+ Điện

+ Truyền thông
+ Tương tác điện từ.
Vì vậy các vấn đề chuẩn hóa là vô cùng phức tạp, và do đó sự thành lập của tổ chức

“Homeplug Power Aliance” để đưa ra những chuẩn cần thiết cho công nghệ này. Tổ
chức này đã đưa ra chuẩn Homeplug V1.0.1 và thường được gọi ngắn là “Homeplug”.

11


Mới đây, với sự phát triển khoa học kỹ thuật và sự quan tâm ngày càng nhiều của các
tổ chức, một chuẩn hóa mới là sự phát triển tiếp của Homeplug là Homeplug AV.

1.2.4 Ứng Dụng:
- Khả năng đáp ứng đa dịch vụ. Mạng phải thiết kế cho phép PLC có khả năng truy
cập Internet tốc độ cao. âm phát trên IP (Voice Over IP) và tương lai có khả năng

cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng như cổng thông tin công cộng, hợp nhất về nhắn
tin (Community portals, unified messaging, SIP, VLAN, IP -PBX,...).
- Khả năng mở rộng: Mạng phải có khả năng phát triển và mở rộng trên cơ sở

khách hàng, kết quả đánh giá đầu tư và nhằm giảm rủi ro trong quá trình nâng
cấp mạng.
- Dễ dàng mở rộng lên băng thông cao hơn.
- Mạng phải có khả năng cho phép mở rộng từ băng thông hiện tại lên băng

thông hơn trong tương lai mà không cần nâng cấp mạng.
- Tương thích với công nghệ mạng khác.
- Mạng phải có khả năng cho phép triển khai song song với các công nghệ mạng khác
như Wireless Local Loop, cáp quang, xDSL,...
- Triển khai ở các vùng đô thị và vùng nông thôn.
- Mạng được thiết kế phải có khả năng hỗ trợ triển khai PLC ở cả vùng đô thị lẫn
vùng nông thôn với giá thành hợp lý và nhanh chóng chiếm lĩnh thị trường.

12


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Một số vấn đề cần lưu ý trong PLC:

2.1.1 Nhiễu điện:
Mạng điện được ra đời phục vụ cho mục đích truyền năng lượng, với đặc điểm phụ
tải thường xuyên thay đổi, các thiết bị điện đóng cắt, các trạm chuyển tiếp, do đó gây
ra rất nhiều nhiễu cho quá trình truyền tải thông tin trên dây điện. Ngoài ra, khi tín

hiệu thông tin cao tần truyền trên dây điện, sẽ phát xạ sóng điện từ làm ảnh hưởng tới
các hệ thống truyền thông khác: Phát thanh, truyền hình.
2.1.2 Suy hao:

Khi truyền tín hiệu đi xa, tín hiệu sẽ bị suy giảm. Người ta lắp các bộ lặp lại trên
đường truyền để khắc phục hiện tượng suy giảm tín hiệu.
2.1.3 Phối hợp trở kháng:

Với hệ thống truyền thông tin, để có được công suất phát cực đại thì cần phải có được
sự phối hợp trở kháng giữa kênh truyền và máy thu - phát, nhưng mạng đường dây
điện lực chưa thích nghi được với vấn đề này vì trở kháng đầu vào (hay đầu ra) thay
đổi theo thời gian đối với tải và vị trí khác nhau. Một số trở kháng không phối hợp

khác có thể xuất hiện trên đường dây điện lực (ví dụ: Do các hộp cáp không phối hợp
trở kháng với cáp), và vì vậy suy giảm tín hiệu càng lớn hơn.
2.1.4 Mạng PLC tốc độ thấp (Lowspeed Powerline)

Như đã nói trong phần trên, công nghệ (Lowspeed PLC) sử dụng dải tần số hẹp

13


5-148.5 KHz, tốc độ dưới 9.6 Kbps, với ưu điểm là giá rẻ, thích hợp cho các ứng dụng
gia đình.
Sản phẩm

Nhà sản xuất

Tốc độ (Kbps) Giao tiếp

SIG40

http://www.yamaelectronics.c

57.6

om

ISL40

LIN

http://www.yamaelectronics.c

57.6

om

QDC10

UART,

UART,
LIN

http://www.yamaelectronics.c

10

SSI

10

CAN

7.5

UART

om

QDCAN10

http://www.yamaelectronics.c
om

M16C/6S(M306S)

http://www.mitsubishi.com

Bảng 1: Một số linh kiện Lowspeed PLC

14


2.2 Cấu trúc hệ thống PLC:

Hình 2.1: Cấu trúc một mạng truy nhập PLC
Cấu trúc mạng truy nhập PLC dựa trên mạng lưới truyền tải và cung cấp điện hạ
thế (lưới hạ thế kết nối với lưới điện trung thế và cao thế thông qua các máy biến áp

như Hình 1). Mạng truy nhập PLC kết nối với mạng diện rộng WAN thông qua các
trạm gốc đặt tại vị trí các máy biến thế. Các thuê bao PLC kết nối với các trạm gốc
thông qua các modem PLC đặt tại vị trí các công tơ đo đếm điện (sử dụng các công

nghệ truy nhập khác kết nối tới các modem này như DSL hay WLAN) hoặc các ổ
cắm điện trong nhà.
Mạng truy nhập PLC dựa trên mạng lưới truyền tải và cung cấp điện hạ thế (lưới
hạ thế kết nối với lưới điện trung thế và cao thế thông qua các máy biến áp). Mạng

truy nhập PLC kết nối với mạng diện rộng (WAN) thông qua các trạm gốc đặt tại vị
trí các máy biến thế. Các thuê bao PLC kết nối với các trạm gốc thông qua modem
PLC đặt tại vị trí công tơ đo đếm điện (sử dụng các công nghệ truy nhập khác kết nối
tới các modem này như DSL hay WLAN) hoặc qua ổ cắm điện trong nhà.

15


Hình 2.2: Cấu trúc mạng PLC trong nhà
Mạng PLC trong nhà sử dụng điện trong nhà làm phương tiện truyền dẫn (Hình
2), để kết nối các thiết bị sử dụng trong nhà như máy tính, điện thoại, máy in và
thiết bị video gọi là hệ thống mạng lan PLC . Như vậy đã tránh được việc lắp đặt các

mạng cáp mới tốn kém chi phí. Về cấu trúc, mạng PLC trong nhà không khác nhiều
so với cấu trúc mạng truy nhập PLC sử dụng lưới điện hạ thế. Trong cấu trúc này, có
một trạm gốc PLC (BS) đặt tại vị trí công tơ điện để kết nối với mạng lõi chính PLC.
Các thiết bị trong nhà kết nối với trạm gốc thông qua các modem PLC đặt tại các ổ

cắm điện. Mạng PLC trong nhà không chỉ có thể kết nối đến trạm truy nhập sử dụng
công nghệ PLC mà còn có thể kết nối đến các mạng truy nhập khác.
2.3 các phần tử mạng PLC:

2.3.1 các phần tử cơ bản:
Chức năng cơ bản của các phần tử này là chuyển đổi và thu/phát tín hiệu từ các

16


thiết bị viễn thông sang dạng phù hợp để truyền trên đường dây điện. Modem PLC:
Dùng để liên kết các thiết bị người sử dụng (máy tính, điện thoại,...) với đường dây

điện. Giao diện của PLC với thiết bị phía người sử dụng có thể là mạng (Ethernet
hoặc USB). Modem PLC ngoài chức năng chuyển đổi tín hiệu, còn có vai trò là bộ
phối hợp trở kháng, bộ lọc tách tín hiệu điện (tần số 50 hoặc 60Hz) và tín hiệu thông
tin (tần số trên 9kHz). Modem PLC không chỉ thực hiện được tất cả các chức năng

lớp vật lý như mã hóa, điều chế mà còn thực hiện các chức năng lớp đường dữ liệu
(MAC và LLC) trong mô hình tham chiếu OSI. Trạm gốc PLC có chức năng kết nối
mạng truy nhập PLC với quay lại mạng lõi chính (Backbone). Các giao diện kết nối
với mạng lõi chính (backbone) có thể là SDH, XDSL, hoặc WLL.

2.3.2 trạm lặp:
Trong trường hợp khoảng cách giữa các modem PLC với trạm gốc là rất xa, cần sử
dụng các bộ lặp tín hiệu lặp lại. Các bộ lặp này có chức năng khuếch đại tín hiệu. Tùy
theo phương pháp điều chế sử dụng, các bộ lặp có chức năng điều chế/giải điều chế
hoặc thực hiện cả chức năng ở lớp mạng cao hơn.

Hình 2.3: Mạng PLC sử dụng trạm lặp

17


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×