TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Đặt vấn đề
Hiện nay, sự phát triển của khoa học công nghệ đã dẫn đến việc áp dụng các hệ thống tự động hoá trong nhiều lĩnh vực như sản xuất, y tế và khoa học Tuy nhiên, vấn đề mất ổn định nguồn điện có thể gây ra những ảnh hưởng nghiêm trọng đến các hệ thống này Đồng thời, an toàn phòng cháy chữa cháy đang trở thành mối quan tâm hàng đầu, vì vậy hệ thống chữa cháy tự động hoá được dự đoán sẽ là xu hướng của tương lai Để tạo ra một hệ thống chữa cháy tự động ổn định, nhóm chúng tôi đã phát triển ý tưởng kết hợp giữa hệ thống chữa cháy tự động và hệ thống tủ điện cấp nguồn tự động, nhằm xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh, an toàn và hiệu quả.
Tính cấp thiết của đề tài
Nhiều công trình và toà nhà chung cư hiện nay vẫn sử dụng hệ thống chữa cháy lạc hậu, chủ yếu là vòi nước, chỉ hoạt động khi ngọn lửa tiếp xúc với vòi, dẫn đến việc lửa có thể lan rộng và mất kiểm soát Mặc dù các hệ thống chữa cháy tự động có hiệu quả hơn, nhưng chúng vẫn gặp nhược điểm là phụ thuộc vào nguồn điện; khi mất điện do cháy, hệ thống này sẽ không còn tác dụng.
Để nâng cao hiệu quả chữa cháy và khắc phục những nhược điểm hiện có, nhóm chúng tôi đã quyết định thực hiện đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình tủ điện cấp nguồn tự động, điều khiển cho hệ thống chữa cháy".
Mục tiêu cần đạt đƣợc
Mô hình này giải quyết vấn đề ổn định nguồn điện lưới bằng cách tự động chuyển đổi nguồn cấp cho tải khi có sự cố Cụ thể, nhóm sử dụng hai nguồn điện là điện lưới và máy phát, kết hợp với bộ lưu điện tự động UPS để đảm bảo cung cấp nguồn liên tục cho tải, tránh tình trạng gián đoạn nguồn điện.
Nhóm đã cải tiến hệ thống chữa cháy bằng cách sử dụng cảm biến phát hiện đám cháy và điều khiển bơm nước để dập tắt lửa Hệ thống còn được trang bị camera kết hợp với cánh tay robot, giúp điều khiển vòi nước đến vị trí chính xác, từ đó dập tắt đám cháy nhanh chóng và hiệu quả.
Hệ thống giao diện giám sát qua web server cho phép người giám sát theo dõi các thông số điện áp, dòng điện thông qua chuẩn Modbus RTU Ngoài ra, hệ thống còn cung cấp hình ảnh về đám cháy nếu xảy ra, đồng thời cho phép điều khiển trực tiếp cánh tay robot để đưa vòi nước đến vị trí cháy mà không cần sự can thiệp của con người tại hiện trường.
Tính mới của đề tài
Đề tài mang tính ứng dụng cao, gần gũi với thực tế
Hệ thống sử dụng các thiết bị công nghiệp, mang tính ổn định cao
Sử dụng giao diện điều khiển và giám sát từ xa
Sử dụng các chuẩn truyền thông như modbus RTU, profinet, HTTP để truyền dữ liệu, và giám sát dữ liệu
Hệ thống chữa cháy sử dụng cánh tay robot 2 bậc, điều khiển và giám sát từ xa
Mang tính công nghệ, hợp với xu thế ngày nay
Hệ thống tủ điện cấp nguồn tự động cung cấp sự linh hoạt với ba nguồn điện: điện lưới, UPS và máy phát Giải pháp này đảm bảo hoạt động liên tục và đáng tin cậy, đáp ứng hiệu quả các tình huống khẩn cấp không mong muốn.
Tổng quan về các hệ thống tủ điện cấp nguồn tự động trong thực tế
Tủ điện cấp nguồn tự động (ATS) là hệ thống thiết bị điện quan trọng giúp duy trì hoạt động liên tục và ổn định cho toàn bộ hệ thống điện, ngay cả khi có sự cố mất điện Các doanh nghiệp, nhà máy sản xuất, chung cư và bệnh viện đều trang bị tủ điện này để đảm bảo nguồn điện luôn sẵn có cho sản xuất và sinh hoạt.
Tủ điện ATS cung cấp nguồn cho hệ thống giao thông thông minh (ITS) trong dự án cao tốc Trung Lương – Mỹ Thuận, có điện áp định mức từ 0-500V và dòng điện định mức từ 100-1500A.
Hình 1.1 Hình ảnh tủ điện ATS trong thực tế
Cấu tạo cơ bản của một tủ ATS trong công nghiệp gồm:
Vỏ tủ điện được chế tạo từ thép mạ kẽm và được phủ một lớp sơn tĩnh điện bên ngoài Kích thước của vỏ tủ có thể lớn hoặc nhỏ, tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng và công suất của thiết bị.
Thiết bị chuyển mạch tự động
Các thiết bị chuyển mạch được thiết kế có các chế độ chuyển mạch tự động hoặc bằng tay
Bộ điều khiển tủ điện ATS
Bộ điều khiển có chức năng điều khiển thiết bị chuyển mạch theo thời gian
Hệ thanh cái đồng phân phối điện tủ điện ATS
Tùy theo dòng điện định mức của hệ thống mà được tính toán phù hợp
Các nút ấn, màn hình LCD, hệ thống đèn chỉ thị giúp người vận hành có thể linh hoạt được chế độ hoạt động
Khi có sự cố mất điện ở nguồn chính
Đầu tiên, thiết bị điều khiển sẽ truyền tín hiệu để nổ máy phát
Sau đó, khi máy phát có điện và hoạt động ổn định tủ ATS sẽ chuyển nguồn phụ tải từ điện lưới sang điện máy phát
Khi điện lưới được cấp trở lại và hoạt động ổn định
Thiết bị điều khiển sẽ truyền tín hiệu để dừng máy phát, sau đó chuyển nguồn phụ tải từ máy phát sang điện lưới
Hình (1.2) nguyên lý hoạt động của hệ thống tủ điện cấp nguồn tự động
Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của tủ điện cấp nguồn tự động
Trên thị trường hiện nay có các loại tủ điện ATS phổ biến, đó là:
Tủ điện ATS 1 nguồn điện lưới, 1 nguồn máy phát điện dự phòng Loại này sử dụng nhiều trong các chung cư cao ốc, nhà máy sản xuất
Tủ điện ATS là thiết bị chuyển đổi giữa hai nguồn điện lưới chính và một nguồn máy phát điện dự phòng, thường được lắp đặt trong các khu công nghiệp lớn Hệ thống này đảm bảo luôn có hai nguồn điện độc lập hoạt động luân phiên, giúp việc bảo trì trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn.
Tủ điện ATS 1 nguồn điện lưới, 2 nguồn máy phát điện dự phòng
Hệ thống tủ điện ATS cũng có thể được phân loại theo công suất như: 100A, 200A, 250A, 400A dùng khởi động từ là chủ yếu
Hệ thống tủ Ats lớn khoảng 800A đến hàng ngàn Ampe thì sử dụng máy cắt khí, bền bỉ hơn
1.5.3 Sơ đồ kết nối thông dụng
Hình 1.3 Sơ đồ kết nối thông dụng
Hệ thống tủ điện cấp nguồn tự động được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực như nhà máy sản xuất, bệnh viện, quân sự và an ninh mạng, nhằm đảm bảo ổn định nguồn điện và giảm thiểu sự cố không mong muốn.
Tổng quan về các hệ thống chữa cháy trong thực tế
Hệ thống chữa cháy đóng vai trò cực kỳ quan trọng và cần được đầu tư cũng như xây dựng một cách kỹ lưỡng, đặc biệt tại các nhà máy, bệnh viện và khu chung cư.
Hiện nay, công nghệ phát triển nên các hệ thống chữa cháy, báo cháy cũng ngày càng trở nên thông minh và hiệu quả hơn
Các thành phần của hệ thống chữa cháy gồm:
Các thành phần của hệ thống chữa cháy xem hình (1.4)
Trung tâm hệ thống báo cháy tự động (dạng tủ) gồm: một mainboard điều khiển, các module, một biến thế, một battery
Hệ thống thiết bị đầu vào: Đầu báo (báo khói, báo nhiệt, báo gas, báo lửa…), công tắc khẩn (nút nhấn khẩn)
Hệ thống thiết bị đầu ra bao gồm bảng hiển thị phụ (bàn phím), chuông báo động, còi báo động, đèn báo động, đèn exit và bộ quay số điện thoại tự động.
Hình 1.4 Các thành phần của hệ thống chữa cháy
Hệ thống chữa cháy tự động hoạt động qua ba trạng thái: thường trực, báo cháy và sự cố Khi lắp đặt, hệ thống thường được để ở chế độ thường trực để trung tâm báo cháy liên tục kiểm tra và bảo dưỡng thiết bị Trong chế độ này, nếu có lỗi từ các thiết bị, trung tâm sẽ phát tín hiệu báo lỗi Khi lỗi được khắc phục, hệ thống sẽ trở lại chế độ thường trực Khi xảy ra hỏa hoạn, các yếu tố môi trường như nhiệt độ, khói và ánh sáng sẽ tác động lên cảm biến, gửi tín hiệu về trung tâm điều khiển Hệ thống sau đó sẽ thông báo cho khu vực có hỏa hoạn qua loa và màn hình, đồng thời kích hoạt tín hiệu báo động và các vòi phun nước.
1.6.2 Các hệ thống chữa cháy tự động phổ biến hiện nay
Hệ thống chữa cháy Sprinkler
Nó dập tắt đám cháy bằng cách phun nước trực tiếp vào khu vực đang cháy, nơi mà đầu phun sprinkler được kích hoạt khi đạt đến ngưỡng nhiệt độ đã được xác định trước.
Hệ thống chữa cháy tự động Sprinkler là lựa chọn lý tưởng cho các tòa nhà cao tầng, nhà xưởng và công trình xây dựng, nhưng không phù hợp cho những khu vực như phòng máy hoặc những sản phẩm dễ hư hại khi tiếp xúc với nước Ưu điểm nổi bật của hệ thống này là lắp đặt nhanh chóng, dễ dàng và tiết kiệm chi phí so với các hệ thống chữa cháy chuyên dụng khác.
Hình 1.5 Hình ảnh đầu phun Sprinkler
Hệ thống hóa chất khô
Ứng dụng công nghệ phun khí chữa cháy tại những khu vực hiểm họa cháy được đánh giá cao, vì nó có khả năng tiếp cận những vị trí khó khăn mà phương pháp chữa cháy thủ công không thể đến.
Lắp đặt thiết bị tại các phòng máy móc, biến thế, turbines, và hệ thống xử lý trong nhà máy luyện kim là rất quan trọng Điều này cũng áp dụng cho các khu vực như kho giao nhận hàng, cảng, dây chuyền phun sơn, thùng sơn công nghiệp, và kho nguyên liệu dễ cháy.
Các hóa chất (khô) được chứa trong bình áp lực, dẫn qua hệ thống đường ống, đến các đầu phun đặt tại khu vực được bảo vệ
Hệ thống có khả năng kích hoạt tự động hoặc điều khiển bằng tay, và có thể được trang bị thêm các thiết bị phụ để ngắt nguồn điện hoặc khóa đường ống dẫn gas.
Thiết bị báo cháy có thể là các đầu báo nhiệt kích hoạt bằng điện hoặc bằng cơ
Hình 1.6 Bình chữa cháy đựng hoá chất khô
Hệ thống chữa cháy CO 2
CO2 là một khí sạch, không gây rỉ sét, và có khả năng dập tắt lửa bằng cách làm loãng hỗn hợp không khí và CO2 xuống dưới mức giới hạn duy trì sự cháy Hệ thống chữa cháy này đặc biệt hiệu quả tại những khu vực mà việc sử dụng các chất chữa cháy khác có thể gây hư hỏng cho máy móc và thiết bị.
Hệ thống phun khí được thiết kế để bảo vệ con người khỏi nguy cơ ngạt thở do khí phun ra Để đảm bảo an toàn, hệ thống sẽ phát tín hiệu báo động trước khi phun, cho phép mọi người có thời gian để rời khỏi khu vực nguy hiểm.
Hình 1.7 Các bình chữa cháy đựng khí CO 2
Hệ thống chữa cháy bằng bọt
Hệ thống chữa cháy bằng bọt hoạt động bằng cách phun ra bọt để bao phủ bề mặt xăng dầu, giúp tách chất lỏng dễ cháy khỏi không khí và ngọn lửa, từ đó dập tắt đám cháy hiệu quả.
Hệ thống foam hiện nay được ưa chuộng vì tính hiệu quả và khả năng giảm thiểu lượng nước sử dụng Việc giảm số lượng chất chữa cháy cần thiết không chỉ giúp dập tắt lửa hiệu quả mà còn giảm thiểu hư hỏng thiết bị và đồ dùng, đồng thời hạn chế ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ở những khu vực có chứa chất độc hại.
Hình 1.8 Hệ thống chữa cháy bằng bọt
Hệ thống chữa cháy bằng robot thông minh
Hệ thống chữa cháy hiện đại và hiệu quả này sử dụng robot để điều khiển vòi nước đến vị trí cần phun Với sự hỗ trợ của camera hồng ngoại và cảm biến, hệ thống có khả năng nhận diện chính xác vị trí xảy ra cháy, giúp dập tắt ngọn lửa ngay từ khi mới bắt đầu, từ đó giảm thiểu thiệt hại tối đa.
Hệ thống này thích hợp lắp đặt ở các khu vực như, trong bệnh viện, trong các trung tâm thương mại, các khu chung cư… [10]
Hình 1.9 Hệ thống chữa cháy bằng robot thông minh
Hệ thống chữa cháy là yếu tố thiết yếu trong các công trình, dự án, công ty và nhà máy, giúp giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản Việc trang bị và vận hành hiệu quả hệ thống này sẽ đảm bảo dập tắt đám cháy nhanh chóng Các phương pháp chữa cháy đa dạng như sử dụng nước, khí CO2, bọt, robot chữa cháy và bột khô sẽ được áp dụng tùy theo nhu cầu của người sử dụng.
GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
Các thiết bị điều khiển
2.1.1 Bộ điều khiển trung tâm PLC S7-1200
PLC, hay Bộ điều khiển Logic có thể lập trình được, là thiết bị có khả năng thay đổi thuật toán điều khiển theo yêu cầu của người sử dụng thông qua ngôn ngữ lập trình Khác với các bộ điều khiển truyền thống chỉ có một thuật toán cố định, PLC mang lại tính linh hoạt trong việc thực hiện các bài toán điều khiển đa dạng.
2.1.1.2 Cấu trúc cơ bản của PLC
PLC là thiết bị cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển số thông qua ngôn ngữ lập trình, với toàn bộ chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ của nó Giống như một máy tính, PLC bao gồm bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ để lưu trữ chương trình điều khiển và dữ liệu, cùng với các cổng ra/vào để kết nối với các đối tượng điều khiển Cấu trúc cơ bản của một PLC thường bao gồm các thành phần thiết yếu này.
- Mô đun xử lý tín hiệu
Ngoài các mô đun chính, PLC còn bao gồm các mô đun phụ trợ như mô đun giao tiếp mạng và truyền thông, cũng như các mô đun ghép nối chức năng để xử lý tín hiệu, chẳng hạn như mô đun kết nối với cảm biến nhiệt độ, mô đun điều khiển động cơ bước, mô đun kết nối với encoder và mô đun đếm xung.
Hình 2.1 Cấu trúc cơ bản của PLC
Dòng PLC Siemens S7 1200 là thiết bị tự động hóa với độ chính xác cao và tốc độ xử lý nhanh Thiết kế nhỏ gọn và linh hoạt của nó phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau.
PLC S7 1200 của Siemens sở hữu giao diện truyền thông mạnh mẽ, đáp ứng tiêu chuẩn cao nhất trong lĩnh vực công nghiệp Với các tính năng công nghệ tiên tiến được tích hợp sẵn, sản phẩm này trở thành giải pháp tự động hóa toàn diện và hoàn hảo.
PLC S7-1200 của Siemens được thiết kế thêm nhiều tính năng tuyệt vời, từ đó đã khắc phục các nhược điểm của S7-200 trước đây.[4]
2.1.1.4 Các bộ điều khiển trung tâm CPU tiêu biểu trên PLC S7-1200
2.1.1.5 Các loại module của PLC S7-1200
- Mô-đun truyền thông S7-1200 (CM)
2.1.1.6 PLC S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC (6ES7212-1AE40-0XB0)
Hình 2.2 PLC S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC (6ES7212-1AE40-0XB0)
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của PLC S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC
Tên thông số Đặt tính
Mã sản phẩm 6ES7212-1AE40-0XB0
Dòng sản phẩm SIMATIC S7-1200 CPU 1212C
Xuất xứ China (Trung Quốc) / CN
Tích hợp đầu vào số 8 DI 24 V DC
Tích hợp đầu ra số 6 DO 24 V DC
Tích hợp đầu vào tương tự 2 AI 0-10 V DC
Bộ nhớ chương trình/ dữ liệu 50 KB
Kích thước (Rộng x Cao x Sâu) 90 x 100 x 75 mm
Giới hạn dưới cho phép 20.4 VDC
Giới hạn trên cho phép 28.8 VDC
Dòng điện tiêu thụ 400 mA cho duy nhất CPU
Dòng điện tiêu thụ tối đa 1200 mA cho CPU và tất cả các mô đun mở rộng
Dòng điện khởi động 12 A tại 28.8 VDC
Các kiểu dữ liệu cho lưu trữ khi mất nguồn (bao gồm bộ định thì, bộ đếm, cờ nhớ flags), tối đa
Số lượng tối đa trên mỗi lớp ưu tiên 16 kbyte, Priority class 1 (program cycle):
16 KB, Priority class 2 đến 26: 6KB
Tổng quan về chuẩn truyền thông RS485
Hình ảnh thực tế Module xem hình (2.3)
Modbus RS485 là một trong những chuẩn truyền thông phổ biến nhất hiện nay, thường được sử dụng trong các ứng dụng như PLC điều khiển biến tần hoặc HMI mà không cần thông qua PLC Chuẩn này cho phép kết nối các bộ điều khiển nhiệt độ và cảm biến, mang lại ưu điểm nổi bật như đơn giản, dễ sử dụng, cấu hình gọn và hoạt động ổn định.
RS485 không chỉ là giao diện kết nối giữa các thiết bị đơn lẻ mà còn là một giao thức truyền thông Modbus, cho phép tạo thành mạng đơn giản với nhiều thiết bị Liên kết RS485 được thiết kế để thu thập dữ liệu từ xa và điều khiển các ứng dụng Một trong những ưu điểm nổi bật của RS485 là khả năng hỗ trợ lên đến 32 trạm thu phát trên cùng một đường truyền, với tốc độ baud đạt tới 115.200 bps cho khoảng cách tối đa 4000 feet (1200m).
RS485 là giao thức truyền thông phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như POS, công nghiệp và viễn thông, đặc biệt là trong môi trường nhiễu Với khả năng truyền dữ liệu qua cáp dài, RS485 cho phép hoạt động hiệu quả trong điều kiện nhiễu Nó cũng được sử dụng phổ biến trong máy tính, PLC, vi điều khiển và cảm biến thông minh, đặc biệt trong các ứng dụng khoa học kỹ thuật.
Các chức năng nổi bật của module modbus rs485 (6ES7241-1CH30-1XB0)
Các chức năng cơ bản bao gồm logic nhị phân, phân bổ kết quả, lưu trữ, đếm, tạo thời gian, tải và truyền dữ liệu, so sánh, dịch chuyển, xoay, tạo phần bổ sung, và gọi chương trình con với các biến cục bộ.
Các lệnh giao tiếp tích hợp (ví dụ: giao thức USS, Modbus RTU, giao tiếp hoặc Freeport)
Các chức năng thân thiện với người dùng bao gồm điều chế độ rộng xung, chuỗi xung, số học, số học dấu phẩy động, điều khiển vòng kín PID, chức năng nhảy, chức năng vòng lặp và chuyển đổi mã.
Các hàm toán học, ví dụ: SIN, COS, TAN, LN, EXP
Chức năng đếm thân thiện với người dùng, kết hợp với bộ đếm tích hợp và các lệnh đặc biệt cho bộ đếm tốc độ cao, mở ra nhiều lĩnh vực ứng dụng mới cho người dùng.
Các ngắt theo cạnh được kích hoạt bằng cách điều chỉnh các cạnh của tín hiệu quy trình, giúp cải thiện khả năng phản ứng nhanh chóng với các sự kiện trong quy trình.
Ngắt bộ đếm có thể được kích hoạt khi đạt đến điểm đặt hoặc khi hướng đếm thay đổi
Ngắt giao tiếp cho phép trao đổi thông tin nhanh chóng và dễ dàng với các thiết bị ngoại vi như máy in hoặc máy đọc mã vạch
2.1.3 Bộ lập trình LOGO! siemens
2.1.3.1 Tổng quan về bộ lập trình LOGO! Siemens
Hình ảnh thực tế PLC Logo! siemens xem hình (2.4)
Bộ điều khiển relay thông minh LOGO cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua ngôn ngữ lập trình, thay vì sử dụng mạch số truyền thống Với chương trình điều khiển tích hợp, LOGO trở thành thiết bị điều khiển số nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi thuật toán và thuận tiện trong việc trao đổi thông tin với môi trường xung quanh Những tính năng ưu việt của bộ điều khiển LOGO mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng.
- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học
- Có thể lập trình trực tiếp trên màn hình hoặc thực hiện trên máy tính rồi đổ chương trình sang bộ LOGO hoặc ngược lại
- Có thể để chương trình qua lại giữa các bộ LOGO với nhau
- Tính tương thích cao với các thiết bị khác
- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng
Hình 2.4 Bộ lập trình LOGO! Siemens
Hình 2.5 cấu trúc phần cứng Logo siemens
2.1.3.3 Cách nhận dạng các loại Logo siemens
Trước khi sử dụng LOGO!, bạn cần nắm rõ một số thông tin cơ bản về sản phẩm, bao gồm điện áp nguồn và loại ngõ ra (relay hoặc transistor) Những thông tin này có thể dễ dàng tìm thấy ở góc dưới bên trái của thiết bị.
Hình 2.6 Cách nhận dạng các loại PLC Logo Một số ký hiệu dùng để nhận biết các đặt tính của sản phẩm:
- 12: nguồn cung cấp là 12 VDC
- 24: nguồn cung cấp là 24 VDC
- 230: nguồn cung cấp trong khoảng 115 240 VAC/DC
- R: ngõ ra là relay Nếu dòng thông tin không chứa kí tự này nghĩa là ngõ ra của sản phẩm là transistor
- C: sản phẩm có tích hợp các hàm thời gian thực
- 0: sản phẩm không có màn hình hiển thị
Các thiết bị đầu vào (input)
Cảm biến phát hiện lửa
Tổng quan về cảm biến phát hiện lửa
Cảm biến phát hiện lửa là thiết bị có khả năng nhận diện ngọn lửa từ xa và gửi tín hiệu điện để cảnh báo người dùng.
Hình 2.7 Cảm biến phát hiện lửa
Mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0 độ K đều phát ra tia hồng ngoại ở các bước sóng khác nhau, trong đó ngọn lửa phát ra tia hồng ngoại trong dải 760nm-1100nm Dựa vào đặc điểm này, module cảm biến phát hiện lửa sử dụng một diode hồng ngoại để thu tín hiệu hồng ngoại từ ngọn lửa Tín hiệu này được xử lý qua mạch tích hợp IC LM393, giúp so sánh và cung cấp tín hiệu đầu ra.
Trên màn hình serial, các giá trị Analog từ cảm biến sẽ liên tục hiển thị; khi đưa cảm biến lại gần nguồn lửa, giá trị này sẽ giảm dần về 0.
Hình 2.8 Bước sóng của ánh sáng
Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của cảm biến phát hiện lửa flame-sensor-C121
Tên thông số Đặt tính
Tín hiệu ra Digital 3.3 – 5VDC, Analog 4-20mA
Khoảng cách phát hiện 80cm
Bước sóng phát hiện được 760-1100 nm
Hình 2.9 Sơ đồ chân của cảm biến phát hiện lửa (flame-sensor-C121)
Các thiết bị đầu ra (output)
Relay là một công tắc điện từ, hoạt động nhờ vào dòng điện nhỏ để điều khiển dòng điện lớn hơn Tâm điểm của relay là nam châm điện, nơi cuộn dây trở thành nam châm tạm thời khi có dòng điện chạy qua Relay được coi là một đòn bẩy điện, cho phép dòng điện nhỏ bật hoặc tắt thiết bị sử dụng dòng điện lớn hơn.
Hình 2.10 Một số loại relay trong công nghiệp
Cấu trúc cơ bản của relay bao gồm một cuộn dây kim loại đồng hoặc nhôm quấn quanh lõi sắt từ, với phần tĩnh gọi là ách từ (Yoke) và phần động là phần cứng (Armature) Phần cứng kết nối với tiếp điểm động, trong khi cuộn dây có tác dụng hút thanh tiếp điểm để tạo ra trạng thái NO và NC Mạch tiếp điểm (mạch lực) có nhiệm vụ đóng cắt các thiết bị tải với dòng điện nhỏ và được cách ly bởi cuộn hút.
Hình 2.11 Cấu tạo cơ bản của relay
Khi dòng điện chạy qua mạch đầu tiên, nam châm điện sẽ được kích hoạt, tạo ra từ trường để thu hút một tiếp điểm màu đỏ Tiếp điểm này sau đó sẽ kích hoạt mạch thứ hai Khi nguồn điện được tắt, một lò xo gắn trước vào tiếp điểm sẽ kéo tiếp điểm trở lại vị trí ban đầu, làm tắt mạch thứ hai.
Hình 2.12 Nguyên lý hoạt động của relay
Contactor, hay còn gọi là khởi động từ, là thiết bị điện hạ áp, có chức năng đóng ngắt thường xuyên các mạch điện động lực với dòng điện không vượt quá giới hạn quá tải Việc đóng cắt của contactor có thể được thực hiện bằng nam châm điện, thủy lực hoặc khí nén, trong đó phổ biến nhất là loại contactor điện từ sử dụng nam châm điện.
Trong những năm gần đây, đã xuất hiện loại contactor không tiếp điểm, cho phép đóng ngắt thông qua các xung điện điều khiển van bán dẫn như thyristor và triac Loại khởi động từ này có khả năng hoạt động với tần số đóng cắt cao, lên đến 1800 lần mỗi giờ.
Hình 2.13 Một số loại contactor thông dụng
Cấu tạo công tắc tơ [3] (xem hình 2.17) bao gồm:
Nam châm điện bao gồm các thành phần chính như cuộn dây để tạo ra lực hút, lõi sắt để tăng cường hiệu suất, và lò xo giúp đẩy nắp trở về vị trí ban đầu.
Hệ thống dập hồ quang là cần thiết để bảo vệ các tiếp điểm trong quá trình chuyển mạch, vì khi hồ quang điện xuất hiện, nó có thể gây ra hiện tượng cháy và mòn tiếp điểm.
- Hệ thống tiếp điểm công tắc tơ: gồm có tiếp điểm chính và tiếp điểm phụ
Tiếp điểm chính có khả năng dẫn dòng điện lớn và thường ở trạng thái hở Khi nguồn điện được cấp vào mạch từ của công tắc tơ trong tủ điện, tiếp điểm chính sẽ đóng lại, giúp mạch từ được hút lại.
- Tiếp điểm phụ: Có khả năng cho dòng điện đi qua các tiếp điểm nhỏ hơn 5A Tiếp điểm phụ có hai trạng thái: Thường đóng và thường mở
Tiếp điểm thường đóng là loại tiếp điểm duy trì trạng thái đóng khi cuộn dây nam châm trong công tắc tơ không được cung cấp điện Khi công tắc tơ hoạt động, tiếp điểm này sẽ mở ra, ngược lại với tiếp điểm thường mở.
Hình 2.14 Cấu tạo của contactor
2.3.2.3 Thông số kỹ thuật của contactor 3 pha LS-9A
Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của Contactor 3 pha LS-9A
Tên thông số Đặt tính
Cuộn hút: 220V, 380V, Điện áp hoạt động: 690VAC Điện áp thử nghiệm xung (Uimp): 6kV Độ bền cơ học: 2.5 triệu lần đóng cắt
Tương thích rơ le nhiệt: MT-32
Xuất xứ: LS Hàn Quốc
Các thiết bị bảo vệ
2.4.1 Thiết bị chống sét lan truyền
2.4.1.1 Tổng quan về thiết bị chống sét lan truyền
Thiết bị chống sét lan truyền (SPD - Surge Protection Devices) là các thiết bị được thiết kế để bảo vệ các thiết bị điện khỏi những đợt tăng điện áp đột ngột.
Thiết bị chống sét lan truyền giúp hạn chế hiện tượng quá áp đột biến trên đường dây điện, bằng cách chuyển hướng dòng điện nguy hiểm một cách an toàn đến nơi khác.
Thiết bị này hoạt động theo nguyên lý bảo vệ, cắt sét trực tiếp khi có hiện tượng sét đánh vào hệ thống Bộ lọc triệt tiêu xung nhiễu từ sét cũng giúp bảo vệ các thiết bị điện khỏi tình trạng quá tải, quá áp và chập cháy một cách hiệu quả.
Hình 2.15 CB chống sét lan truyền
Khi nguồn năng lượng điện đột ngột truyền vào dây cáp điện trong nhà, trở kháng của SPD sẽ giảm xuống, giúp giảm hoặc triệt tiêu nguồn điện này đến mức an toàn Điều này giúp bảo vệ các thiết bị dân dụng hoạt động bình thường, tránh tình trạng quá tải và hư hại.
Thiết bị SPD được kết nối trực tiếp với bảng mạch cấp điện chính của ngôi nhà, cụ thể là cầu giao tổng (CB), giúp ngăn chặn năng lượng quá lớn truyền thẳng tới các thiết bị điện tử khác Khi có sự cố xảy ra, CB tổng sẽ tự động ngắt nguồn, từ đó nâng cao độ an toàn cho hệ thống điện.
Hình 2.16 Nguyên lý hoạt động của thiết bị chống sét lan truyền
Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của MCB chống sét Suntree SUP1-40 40kA
Tên thông số Đặt tính
Mã chống sét AC 1 pha : SUP1-40 275V 2P 40kA Điện áp định mức: 275V AC
Cấp độ bảo vệ: IP40
Phương pháp lắp đặt: lắp đường ray
Nhiệt độ môi trường làm việc: -20℃ ~ 70℃
2.4.2.1 Tổng quan về nút Estop
Nút Nhấn Dừng Khẩn Estop (hình 2.22) là thiết bị quan trọng trong hệ thống điện tự động hóa, cho phép chuyển mạch và đóng mạch dễ dàng trong trường hợp khẩn cấp Khi được nhấn, nút sẽ duy trì trạng thái ngắt điện và để khôi phục lại trạng thái ban đầu, người dùng cần xoay nút Thông thường, tiếp điểm sử dụng là tiếp điểm thường đóng, nghĩa là điện luôn chạy qua tiếp điểm cho đến khi nút được tác động, giúp đảm bảo an toàn trong tủ điện.
Hình 2.17 Nút dừng khẩn cấp Estop
Nút nhấn khẩn cấp lắp ghép bao gồm ba bộ phận rời, dễ dàng ghép lại với nhau, và được thiết kế cho lỗ phi 22 mm Ngoài ra, nút còn đi kèm vòng chuyển đổi cho lỗ phi 25 mm và phi 30 mm Đặc biệt, đầu nút được thiết kế kín nước đạt tiêu chuẩn IP65, đảm bảo khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường có nước thường xuyên rơi vào.
Cụm tiếp điểm có khả năng trang bị hai tiếp điểm thường đóng (NC) và thường mở (NO), đồng thời cho phép lựa chọn các cấu hình khác như 2 NO, 2 NC, 1 NO, 1 NC Nếu cần thêm, có thể gắn thêm nhiều cụm tiếp điểm khác nhau Thiết bị này có thể hoạt động với điện áp lên đến 500VAC.
Hình 2.18 Cấu tạo của nút Estop
Thiết bị đo
2.5.1.1 Tổng quan về biến dòng
Máy biến dòng (xem hình 2.24) hay còn gọi tắt là biến dòng ( tên tiếng Anh là: Current Transformer kí hiệu máy biến dòng CT)
Biến dòng là thiết bị dùng để đo dòng điện một cách gián tiếp, giúp theo dõi dòng điện cung cấp cho tải hoặc dây động lực Nó có khả năng biến đổi dòng điện từ mức thấp lên cao hoặc ngược lại, cũng như chuyển đổi giữa dòng AC và DC.
Biến dòng có chức năng giám sát nguồn điện cung cấp cho từng thiết bị, giúp đưa tín hiệu đến các đồng hồ hiển thị dòng điện cơ học hoặc truyền tín hiệu điện về trung tâm điều khiển qua các bộ chuyển đổi tín hiệu 0-5A hoặc 0-10A.
Hình 2.19 Hình ảnh một số loại biến dòng phổ biến
Biến dòng là thiết bị được cấu tạo từ nhiều vòng dây quấn trên khung sắt từ, khác với máy đo hiệu điện thế hay máy biến áp nguồn truyền thống Thiết bị này thường chỉ có một hoặc một số ít vòng dây, giúp đo lường dòng điện một cách chính xác.
Máy biến dòng bao gồm các phần chính sau đây:
- Primary Current: Dòng điện sơ cấp
- Secondary Winding: Cuộn dây thứ cấp
- Ammeter : Đồng hồ đo dòng
Hình 2.20 Cấu tạo của biến dòng
Biến dòng hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, khi dòng điện xoay chiều chạy qua dây dẫn, sẽ tạo ra một điện trường xung quanh Điện trường này có khả năng cảm ứng lên cuộn dây, tạo ra dòng điện trong cuộn dây đó Tỉ lệ dòng điện được tạo ra phụ thuộc vào số vòng dây cuốn trong cuộn dây biến dòng.
Hình 2.21 Nguyên lý hoạt động của biến dòng
Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật của CT Andeli MSQ-30 200/5A
Tên thông số Đặt tính
Kích thước lỗ: 30 mm Đầu vào: 0-30A Đầu ra: 0-5A
2.5.2.1 Tổng quan về đồng hồ selec Đây là một thiết bị đo đa năng, nó có thể đo được dòng điện, điện áp, tần số, hệ số công suất …trong cùng một thiết bị Xem hình (2.28)
Đồng hồ Selec nổi bật với kích thước nhỏ gọn 96mm x 96mm và tính năng cao, cùng với cổng truyền thông RS485 Sản phẩm này được ứng dụng rộng rãi trong ngành tự động hóa, đặc biệt là trong thi công lắp đặt tủ điện.
Hình 2.22 Đồng hồ selec MFM384
Bảng 2.6 Thông số kỹ thuật của đồng hồ selec MFM384
Tên thông số Đặt tính
Hiển thị: LCD, 4 dòng – 4 số (hiển thị 8 chữ số với phần năng lượng)
Mạch đấu nối: 3 pha – 4 dây/3 dây
Ngõ vào Điện áp: 11 ~ 300V AC (L-N)
Dòng điện: 5A AC (tối thiểu 11mA, tối đa 6A)
Ngõ ra: Xung áp (dùng nguồn bên ngoài) tối đa
Nguồn điện 24VDC với dòng tối đa 100mA cho phép đo lường hiệu suất tiêu thụ năng lượng, với độ phân giải 0.1 đến 1 kWh/xung tùy thuộc vào tỷ số của biến dòng Hệ thống tự động điều chỉnh các thông số như điện áp, dòng điện và công suất, đồng thời cung cấp chỉ số hệ số công suất (PF) với độ chính xác lên đến 0.001.
Bộ nhớ Duy trì 10 năm Độ chính xác: Điện áp (L-N / L-L)
Công suất (kW, kVA, kVAr): 1%
Năng lượng: Cấp 1 Phụ kiện (mua riêng) tín hiệu RS485-
232), phần mềm giám sát năng lượng
Biến dòng, biến áp, AC-RS485-RS232-ISO (bộ chuyển đổi
Thiết bị cấp nguồn
Bộ lưu điện tự động UPS
Tổng quan về bộ lưu điện tự động UPS
UPS, viết tắt của Uninterruptible Power Supply, là bộ lưu trữ điện dự phòng giúp cung cấp điện năng trong thời gian nhất định để duy trì hoạt động của các thiết bị điện khi xảy ra sự cố với nguồn điện lưới.
Hình 2.23 Bộ lưu điện tự động UPS
Bộ lưu điện hoạt động dựa vào nguyên lý chuyển đổi điện từ ắc quy tích điện sang nguồn điện dân dụng khi nguồn điện đầu vào cho UPS bị mất.
Bên trong UPS có một hoặc nhiều ắc quy để lưu trữ năng lượng điện Nó sử dụng một bo mạch để chuyển đổi điện một chiều thành điện xoay chiều, với tần số và điện áp phù hợp cho nhu cầu sử dụng, thường là 220Vac 50Hz hoặc 110Vac 60Hz.
Hình 2.24 Nguyên lý hoạt động của bộ UPS
Trong bộ Main chính của bộ lưu điện sẽ gồm các thành phần sau:
Bộ chỉnh lưu, chuyển mạch
Mạch biến áp (Biến áp cơ)
Bộ switch mạng
Tổng quan về bộ switch mạng
Switch, hay còn gọi là thiết bị chuyển mạch, là một thành phần thiết yếu trong mạng, có chức năng kết nối các đoạn mạng theo mô hình hình sao (Star) Trong mô hình này, switch giữ vai trò trung tâm, kết nối tất cả các thiết bị vệ tinh, bao gồm cả máy tính, từ đó định tuyến và tạo đường nối tạm thời để trung chuyển dữ liệu.
Switch là thiết bị thiết yếu trong hệ thống mạng, đặc biệt trong các mạng lớn với nhiều thiết bị kết nối Để mạng LAN hoạt động ổn định và đạt hiệu suất cao, việc sử dụng một switch thông minh và ưu việt là điều bắt buộc, với các tính năng nổi bật.
Làm cho các host có thể hoạt động ở chế độ song công (có thể đọc – ghi, nghe – nói) cùng lúc
Làm cho các host có thể hoạt động ở chế độ song công (có thể đọc – ghi, nghe – nói) cùng lúc
Switch chỉ thiết lập một mạch ảo giữa hai cổng tương ứng mà không làm ảnh hưởng đến lưu thông trên các cổng khác
Switch là thiết bị Lớp 2, hoạt động dựa trên địa chỉ MAC để chuyển frame, giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng LAN Nhờ khả năng lựa chọn đường dẫn chuyển frame, switch không chỉ nâng cao hiệu quả hoạt động mà còn giảm thiểu tỷ lệ lỗi trong quá trình truyền tải dữ liệu.
Các thiết bị kết nối gián tiếp qua các cổng của Switch, mà nhận biết máy nào kết nối bằng cách học địa chỉ MAC nguồn trong frame Switch không cần chia sẻ băng thông, vì các cổng của nó quyết định cách thức truyền tải băng thông Điều này cho phép giới hạn lưu lượng truyền đi ở một ngưỡng nhất định.
Switch là một thiết bị điều khiển mạng, cho phép các thiết bị kết nối giao tiếp hiệu quả với nhau Nhờ đó, nó giúp phân bổ tài nguyên hợp lý, tiết kiệm chi phí cho doanh nghiệp và nâng cao năng suất làm việc của nhân viên.
Hình 2.26 Cách thức hoạt động của bô switch mạng
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Sơ đồ khối
Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống
Bảng phân công đầu vào ra
3.2.1 Bảng phân công đầu vào Logo
Bảng 3.1 Bảng phân công đầu vào cho Logo
STT Tên Kiểu dữ liệu Địa chỉ
4 Tín hiệu máy phát Bool I4
3.2.2 Bảng phân công đầu ra Logo
Bảng 3.2 Bảng phân công đầu ra cho Logo
STT Tên Kiểu dữ liệu Địa chỉ
3.2.3 Bảng phân công đầu vào PLC
Bảng 3.3 Bảng phân công đầu vào cho PLC
STT Tên Kiểu dữ liệu Địa chỉ
3.2.4 Bảng phân công đầu ra PLC
Bảng 3.4 Bảng phân công đầu ra cho PLC
STT Tên Kiểu dữ liệu Địa chỉ
Hệ thống tủ điện cấp nguồn tự dộng
Hệ thống 3 nguồn: điện lưới, điện máy phát, nguồn điện dự phòng UPS, khi mất điện lưới, hệ thống sẽ tự động chuyển đổi nguồn qua nguồn dự phòng
Bộ lưu điện tư động UPS sẽ được sử dụng trong lúc nguồn máy phát và nguồn lưới gặp sự cố
Sử dụng đồng hồ đo điện năng Selec giúp giám sát các thông số điện năng như điện áp và dòng điện, với dữ liệu được truyền qua giao thức Modbus RTU.
3.3.2 Tổng quan về hệ thống
3.3.2.1 Giới thiệu về tủ điện cấp nguồn tự động
Tủ điện cấp nguồn tự động có chức năng chuyển đổi nguồn điện sang nguồn dự phòng từ máy phát điện khi xảy ra sự cố với nguồn lưới chính Để đảm bảo không bị gián đoạn điện áp trong quá trình chuyển mạch, hệ thống sử dụng bộ lưu điện tự động UPS cung cấp nguồn liên tục cho tải Mục tiêu chính của tủ điện này là đảm bảo cung cấp đủ nguồn điện cho hệ thống chữa cháy, bao gồm các bơm cao áp và thiết bị quan trọng khác.
Các thiết bị chuyển mạch
Bộ lưu điện tự động UPS
Các nút nhấn, công tắc, đồng hồ hiển thị
- Khi có sự cố xảy ra với nguồn điện lưới (mất điện lưới)
- Thiết bị điều khiển xuất tín hiệu đề máy phát (đèn đề máy phát sáng)
- Đợi cho nguồn điện máy phát ổn định (đèn máy phát sáng)
- Thiết bị điều khiển xuất tín hiệu đóng contactor nguồn điện máy phát
- Thiết bị điều khiển xuất tín hiệu ngắt contactor nguồn điện lưới
- Trong trường hợp máy phát bị lỗi:
Khi thiết bị điều khiển phát tín hiệu khởi động máy phát quá 3 lần mà máy phát vẫn không hoạt động, thiết bị sẽ tự động phát tín hiệu báo lỗi, dẫn đến việc đèn báo lỗi sáng lên.
Sau khi sự cố được khắc phục, người vận hành cần nhấn nút reset trên bảng điều khiển để thiết bị điều khiển tiếp tục xuất tín hiệu khởi động cho máy phát.
- Máy phát hoạt động, (nếu máy phát còn lỗi thì lặp lại quá trình trên)
- Thiết bị điều khiển xuất tín hiệu đóng contactor nguồn điện máy phát
- Thiết bị điều khiển xuất tín hiệu ngắt contactor nguồn điện lưới
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống
Các thông số giả định ban đầu:
2 động cơ bơm 1 pha 220V, 2KW (2000W)
Tổng công suất của tải là:
Dòng điện định mức qua CB là:
Vậy ta chọn được CB tổng phù hợp có dòng điện danh định là 25A (xem hình3.3)
Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật của MCB Vanlock 2P-25A
Tên thông số Đặt tính
Dòng sản phẩm: MCB PS45N
Dòng cắt ngắn mạch: 4.5kA
Chức năng: Dùng để kiểm soát,Bảo vệ quá tải và ngắn mạch Ứng dụng: Dùng trong mạng lưới điện dân dụng và công nghiệp
Tính chọn UPS và acqui
Khi lựa chọn UPS online (Nguồn điện liên tục), cần dựa vào công suất tải thực tế của hệ thống thiết bị để đảm bảo cung cấp nguồn điện ổn định và liên tục, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả.
Ta có P tổng B00 W = 4.2KW = 3.36KVA
Vậy ta có thể chọn được UPS phù hợp với công suất là 4KVA (xem hình 3.4)
Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật UPS BLUEGATE 4KVA
Tên thông số Đặt tính
Mức hiệu dụng Lên tới 97%
Tản nhiệt 371W/1266 BTU/hr tại 100% tải
Làm mát Quạt làm mát
Tiếng ồn, hoạt động bình thường 0.99
Dòng vào Phụ thuộc tải
Nguồn nối tắt Giống đầu vào
Tương thích với máy phát Tốc độ quay đồng bộ nhanh để vận hành máy phát được tối ưu
Thông tin đầu ra Điện áp ra 220 VAC
Tần số điện áp ra (danh định) 50 HZ
Tần số/Điều chỉnh 0.1 Hz hoạt động tự do
Dải hệ số công suất của tải Trễ: 0.8
Tính toán dung lượng Acqui cho UPS 4KVA
Ta có công thức tính dung lượng ắc quy:
(3.5) Ý nghĩa các thông số như sau:
T: Thời gian cần có điện của hệ thống để hoạt động
W: Tổng lượng công suất tiêu thụ của hệ thống tải
V: Hiệu điện thế bình ắc quy ( số lượng bình x 12 Vol)
Pf: Hệ số năng suất của bộ lưu điện
Công suất thực tế nguồn tải W: 4200 W
Chọn công suất kích điện tính toán (1,5 lần thực tế): 6300 W
Hệ số năng suất của bộ lưu điện: pf=0,8
Dung lượng ăc quy tổng là:
(3.6) Vậy ta chọn loại ắc quy 12V 180Ah : 4 bình (xem hình 3.5)
Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật của Acqui dongnai 12V 180Ah
Tên thông số Đặt tính
Tên sản phẩm Bình ắc quy Đồng Nai N200S (12V-
Kiểu ắc quy Ắc quy nước Điện áp 12V
Kích thước 508 x 222 x 208mm (Dài x Rộng x Cao)
Tính chọn máy phát điện
Ta có tổng công suất của tải là P tổng = 4200 w
Máy phát điện phù hợp sẽ có công suất lớn hơn (10%-25%) tổng công suất của tải
Công suất máy phát điện là:
Vậy ta sẽ chọn máy phát điện có công suất là: 5300 W
Hình 3.6 Máy phát điện ELEMAX SH5300EX
Bảng 3.8 Thông số kỹ thuật máy phát điện ELEMAX SH5300EX
Tên thông số Đặt tính
Model SH5300EX Động cơ Honda GX270
Vòng tua (vòng / phút) 3000 Đầu phát Sawafuji
Công suất liên tục (kVA) 4.5
Công suất dự phòng (kVA) 5 Điện áp (V) 220
Kiểu khởi động Đề nổ
Hình 3.7 Giản đồ thời gian của hệ thống tủ điện cấp nguồn tự động
Hình 3.8 Giản đồ thời gian của hệ thống tủ điện cấp nguồn tự động
Hình 3.9 Lưu đồ thuật toán của tủ điện cấp nguồn tự động
Hình 3.10 Lưu đồ thuật toán của tủ điện cấp nguổn tự động
Hệ thống chữa cháy
Hệ thống robot chữa cháy sử dụng hai động cơ servo với độ chính sát cao, dễ đàng điều khiển, vận hành
Sử dụng camera giám sát hình ảnh từ xa tại hiện trường
Hệ thống được điều khiển và giám sát từ xa qua internet
3.4.2 Tổng quan về hệ thống
Giới thiệu về hệ thống chữa cháy
Hệ thống chữa cháy tự động này sử dụng cảm biến báo cháy để phát hiện hoả hoạn và ngay lập tức kích hoạt bơm nước nhằm dập lửa Ngoài ra, hệ thống còn phát ra còi báo động để cảnh báo khi có sự cố Người giám sát có thể theo dõi tình trạng đám cháy qua camera, với dữ liệu hình ảnh được truyền đến màn hình giám sát qua web server Tại đây, họ có thể điều khiển vòi nước chữa cháy từ xa, giúp dập tắt đám cháy nhanh chóng mà không cần có mặt tại hiện trường.
Khi có hoả hoạn xảy ra
Cảm biến phát hiện lửa sẽ gửi tín hiệu đến thiết bị điều khiển
Thiết bị điều khiển sẽ điều khiển bật bơm, đồng thời bật còi cảnh báo
Camera sẽ gửi hình ảnh đám cháy đến trung tâm giám sát qua web server
Người vận hành sẽ tiến hành điều khiển vòi nước chữa cháy để dập lửa
Hình 3.11 Giản đồ thời gian của hệ thống chữa cháy
Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán của hệ thống chữa cháy
Giao diện dám sát qua web server
3.5.1 Tổng quan về web server
Web Server là một máy chủ mạnh mẽ với dung lượng lớn và tốc độ cao, được sử dụng để lưu trữ thông tin như một ngân hàng dữ liệu Nó chứa các website đã được thiết kế cùng với những thông tin liên quan khác, bao gồm mã Script, chương trình và file Multimedia.
Web Server có khả năng truyền tải các trang Web đến máy khách qua Internet thông qua giao thức HTTP, được thiết kế để gửi file đến trình duyệt Web và các giao thức khác.
Cách thức hoạt động của một web server
Hình 3.13 Cách thức hoạt động của một web server
Người dùng Internet sẽ truy cập một website bất kỳ thông qua một trình duyêt web được cài trên máy tính hoặc thiết bị di động.[6]
Khi bạn sử dụng trình duyệt web như Chrome, Cốc Cốc hay Firefox, trình duyệt sẽ nhận yêu cầu và chuyển đổi địa chỉ tên miền thành địa chỉ IP thông qua các máy chủ DNS Tiếp theo, trình duyệt sẽ gửi yêu cầu đến máy chủ web qua giao thức HTTP, thông báo rằng có một người dùng cần truy xuất thông tin tại địa chỉ đó và yêu cầu máy chủ trả về kết quả cho người dùng.
Khi trình duyệt gửi yêu cầu, máy chủ web sẽ kiểm tra hệ thống để xác định xem có tài nguyên nào liên quan đến địa chỉ người dùng tìm kiếm hay không Nếu có, máy chủ sẽ gửi thông tin qua giao thức HTTP về trình duyệt để hiển thị cho người dùng Ngược lại, nếu không tìm thấy, sẽ xuất hiện thông báo lỗi hoặc nội dung không tìm thấy Quy trình này lặp đi lặp lại liên tục.
3.5.2 Tổng quan về giao diện dám sát web server của hệ thống
Giao diện giám sát các thông số điện năng của hệ thống
Giao diện điều khiển và giám sát hệ thống tủ điện cấp nguồn tự động
Giao điện điều khiển và giám sát hệ thống chữa cháy
3.5.3 Thiết kế một Web Server trên PLC S7-1200
3.5.3.1 Giới thiệu về phần mềm Tia Portal V16
Hình 3.14 Giao điện của phần mềm Tia Portal V16
TIA Portal là phần mềm tích hợp quản lý tự động hóa và điều hành điện của hệ thống, cho phép thực hiện các tác vụ và điều khiển trong cùng một môi trường Đây là phần mềm tự động hóa đầu tiên sử dụng nền tảng chung, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả trong quản lý hệ thống.
Tia Portal là phần mềm tích hợp tự động toàn diện, cung cấp nền tảng cho các phần mềm khác trong việc lập trình và cấu hình thiết bị Với khả năng chia sẻ cơ sở dữ liệu chung, Tia Portal đảm bảo tính thống nhất và toàn vẹn cho hệ thống quản lý và vận hành.
Tia Portal tạo môi trường dễ dàng để lập trình thực hiện các thao tác:
- Thiết kế giao diện kéo nhã thông tin dễ dàng, với ngôn ngữ hỗ trợ đa dạng
- Quản lý phân quyền User, Code, Project tổng quát
- Thực hiện go online và Diagnostic cho tất cả các thiết bị trong project để xác định bệnh, lỗi hệ thống
- Tích hợp mô phỏng hệ thống
- Dễ dàng thiết lập cấu hình và liên kết giữa các thiết bị Siemens
- Hiện tại phần mềm Tia Portal có nhiều phiên bản như Tia Portal V14,Tia Portal V15, Tia Portal V16 và mới nhất là Tia Portal V17
Tia Portal là một phần mềm quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa, cho phép tích hợp nhiều công nghệ như HMI, PLC và Inverter của Siemens Phần mềm này có những ưu điểm nổi bật trong việc vận hành hệ thống tự động hóa, tuy nhiên cũng tồn tại một số nhược điểm cần lưu ý.
Bước 1: Kết nối dây dẫn phần cứng (xem hình 3.16)
Hình 3.15 Kết nối phần cứng giữa PLC và PC Cáp kết nối ta dùng cáp Ethernet RJ45 (xem hình 3.17)
Cáp Ethernet RJ45 là một trong những loại cáp mạng phổ biến nhất, thường được sử dụng để kết nối các thiết bị trong mạng cục bộ như máy tính, router và switch Là một loại dây cáp vật lý, cáp Ethernet có những hạn chế về khoảng cách, khả năng truyền tín hiệu và độ bền Chính vì vậy, có nhiều loại cáp Ethernet khác nhau được phát triển để đáp ứng các nhiệm vụ cụ thể trong từng tình huống.
Bước 2: Cấu hình địa chỉ IP cho PLC (xem hình 3.18)
To start using Tia Portal, create a new project and navigate to the Device Configuration section Right-click on the Profinet port and select Properties In the Ethernet Addresses section, set the PLC's IP address to 192.168.1.101 and ensure to check the Use Router option.
Hình 3.17 Cấu hình địa chỉ IP cho PLC
To configure the IP address for your computer, navigate to Settings, select Ethernet, and then click on Change Adapter Options Next, right-click on the Ethernet icon and choose Properties.
Hình 3.18 Các bước khai báo địa chỉ IP cho máy tính
Ta click chuột vào Internet Protocol Version 4(TCP/Ipv4) (xem hình 3.20)
Hình 3.19 Các bước khai báo địa chỉ IP cho máy tính
Ta khai báo địa chỉ IP cho máy tính là 192.168.1.10 (xem hình 3.21)
Hình 3.20 Khai báo địa chỉ IP cho máy tính
Bước 4: Cấu hình web server trên Tia Portal (xem hình 3.22)
Vào mục Device configuration > click chuột phải chọn properties > Web server
> activate web server on all module of this device
Hình 3.21 Các bước cấu hình webserver trên tia portal Vào thẻ user management > chọn như ảnh bên dưới (xem hình 3.23)
Hình 3.22 Các bước cấu hình webserver trên tia portal Vào thẻ Time of day > chọn (UTC + 07:00) (xem hình 3.24)
Hình 3.23 Các bước cấu hình webserver trên tia portal
Bước 5: Lập trình khối chức năng web server (xem hình 3.25)
Vào main > Instruction > comunication > Webserver > WWW
Hình 3.24 Các bước cấu hình webserver trên tia portal
Hình 3.25 Các bước cấu hình webserver trên tia portal
Bước 6: Tạo một file HTML (xem hình 3.28)
Để xây dựng một web server, trước tiên chúng ta cần tạo ra một trang web để người dùng có thể truy cập Có nhiều công cụ hỗ trợ việc tạo file HTML, chẳng hạn như C#, Java, và Notepad++.
Notepad++ là một phần mềm soạn thảo mã nguồn miễn phí, phổ biến và đa tính năng, được ưa chuộng bởi các webmaster trên toàn thế giới Chương trình này hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình và hoạt động trên hệ điều hành Microsoft Windows Notepad++ không chỉ là sự thay thế hoàn hảo cho Notepad cổ điển mà còn nổi bật với tính năng và giao diện tương tác vượt trội Để bắt đầu, bạn chỉ cần mở ứng dụng Notepad++.
Hình 3.26 Icon của ứng dụng Notepad++
Hình 3.27 Giao diện chính của phần mềm Tạo một project mới > vào language > H > HTML (xem hình 3.29)
Hình 3.28 Chọn ngôn ngữ lập trình Lập trình một trang web đơn giản trên ứng dụng (xem hình 3.30)
Hình 3.29 Lập trình một trang web đơn giản bằng Notepad++
Hình 3.30 Giao diện của một trang webserver Add file HTML vào User defined page
Ta quay lại phần mềm Tia Portal > vào phần Device configuration > click chuột phải chọn properties > Webserver > User-defined pages (xem hình 3.32)
To access the web interface, open a web browser and enter the PLC's IP address in the search bar.
Hình 3.32 Truy cập vào web server
Hình 3.33 Giao diện đăng nhập của Web server
Bước 7: Kết nối phần cứng PLC với mạng internet (xem hình 3.35)
Sau khi hoàn tất cấu hình và lập trình web server trên PLC, việc kết nối PLC với mạng internet là cần thiết để người dùng có thể truy cập vào web server từ bất kỳ đâu Điều này cho phép người dùng điều khiển và giám sát thiết bị, miễn là họ có kết nối internet.
Hình 3.34 Kết nối PLC với Internet Sau đó ta tiến hành Nat port để cho PLC có thể kết nối được với Internet.
Các giao thức truyền thông đƣợc sử dụng
3.6.1 Giao thức truyền thông MODBUS
3.6.1.1 Tổng quan về giao thức Modbus
MODBUS là một giao thức truyền thông công nghiệp được phát triển bởi MODICON vào năm 1979 và thuộc về Schneider Electrics từ năm 1996 Giao thức này nổi bật với tính đơn giản và mạnh mẽ, trở thành tiêu chuẩn phổ biến để kết nối các thiết bị điện tử công nghiệp MODBUS cho phép truyền thông qua một cặp dây xoắn đơn, sử dụng các chuẩn RS232 và RS485, với RS485 mang lại tốc độ cao hơn và khoảng cách truyền xa hơn Giao thức hoạt động theo nguyên tắc "Master - Slave", trong đó có một Master và tối đa 247 Slave, mỗi Slave được gán một địa chỉ duy nhất.
Giao tiếp MODBUS bắt đầu từ nút master, trong khi các nút slave chỉ truyền dữ liệu khi nhận được yêu cầu từ master node Các nút slave không giao tiếp trực tiếp với nhau, và nút master chỉ khởi tạo một giao dịch MODBUS tại một thời điểm.
Hình 3.35 Tổng quan về Modbus
3.6.1.2 Giới thiệu về giao thức Modbus RTU
Modbus RTU là một giao thức dựa trên nền tảng RS485 (hoặc RS232), sử dụng cổng truyền thông nối tiếp cho các ứng dụng truyền thông nhỏ gọn Giao thức này biểu diễn dữ liệu dưới dạng số nhị phân và định dạng RTU theo các lệnh/dữ liệu với cơ chế kiểm tra lỗi tuần hoàn, đảm bảo độ tin cậy của dữ liệu Đặc biệt, một gói tin RTU phải được truyền liên tục mà không có khoảng ngắt giữa các ký tự.
Trong mạng giao tiếp sử dụng giao thức Modbus RTU, các cảm biến và cơ cấu chấp hành thường hoạt động như thiết bị Slave Trong khi đó, máy tính, PLC, vi điều khiển và thiết bị HMI thường giữ vai trò Master, nhưng cũng có thể hoạt động như Slave trong một số trường hợp.
Hình 3.36 Kết nối phần cứng của giao thức Modbus RTU
Tất cả các tín hiệu chuẩn Modbus RTU được mắc song song nhau trên hai dây truyền về Master qua chuẩn RS485 (xem hình 3.39)
Hình 3.37 Kết nối Modbus RTU Master-Slave
Modbus RTU hoạt động dựa trên nguyên tắc truyền tín hiệu giữa Master (bên nhận) và Slave (bên truyền tín hiệu) thông qua địa chỉ thanh ghi Phương thức truyền tín hiệu của Modbus RTU sử dụng các dạng như RS-232 và RS-485 Để giao tiếp giữa Master và Slave qua đường truyền RS-485, cần cài đặt các thông số như tốc độ truyền baudrate (4800, 9600, 115200…), số data bit (7-8), bit stop (0-1-2) và Flag Parity (None, Even, Odd) Tất cả các thông số này phải giống nhau giữa Master và Slave, và Master cần biết ID của Slave để thực hiện giao tiếp.
Trong mạng Modbus, mỗi thiết bị được gán một địa chỉ duy nhất, với chỉ một node được xác định là Master, có khả năng khởi tạo lệnh Các thiết bị còn lại được gọi là Node và chỉ những thiết bị có ID tương ứng (từ 1 đến 247) mới phản hồi lệnh, mặc dù các thiết bị khác cũng có thể nhận tín hiệu Ngoại lệ là những lệnh phát được gửi đến nút cụ thể.
Tất cả các lệnh Modbus đều bao gồm thông tin tổng kiểm tra (check sum CRC) nhằm giúp người nhận phát hiện lỗi truyền Master thực hiện việc đọc và ghi dữ liệu vào thanh ghi của thiết bị slave.
Tất cả các tín hiệu truyền trên 2 dây tín hiệu RS 485 với khoảng cách truyền xa 1200m
Giảm tối thiểu dây kết nối vào PLC
Tiết kiệm một lượng lớn Modul mở rộng PLC
Giảm không gian lắp đặt do bộ chuyển đổi có thiết kế mỏng nhỏ gọn so với Modul mở rộng của PLC
Độ ổn định và ít nhiễu so với tín hiệu analog 4-20mA
Các Modul độc lập nhau nên quản lý dể dàng
Có thể dùng chung các hãng khác nhau có chuẩn Modbus RTU
Tín hiệu không nhanh bằng việc dùng trực tiếp như analog hoặc Digital
Chỉ phù hợp cho điều khiển có thời gian đáp ứng 1s trở xuống
Cần PLC hay Scada có cấu hình mạnh đủ để đọc tất cả các thanh ghi khi dùng nhiều bộ chuyển đổi Modbus RTU
3.6.1.3 Ứng dụng giao thức modbus RTU đọc dữ liệu từ đồng hồ Selec về PLC
Đồng hồ Selec là thiết bị đo đa năng, có khả năng đo và hiển thị nhiều thông số như điện áp, dòng điện và công suất Các phiên bản mới của đồng hồ Selec còn tích hợp chức năng truyền thông Modbus, cho phép đọc dữ liệu từ PLC và máy tính.
Hình 3.38 Mặt sau của đồng hồ Selec
Cách kết nối phần cứng
Cách đấu nối với điện 1 pha 2 dây (xem hình 3.42)
Hình 3.40 cách đấu nối với điện 1 pha 2 dây
Cách đấu nối với module CB 1241 RS485 (xem hình 3.43)
Hình 3.41 Đấu nối đồng hồ selec với module CB 1241 RS485
Cách cấu hình và lập trình trên phần mềm
Cấu hình và kết nối phần cứng
START > Create new project > create (xem hình 3.44)
Hình 3.42 Tạo một project mới
Bước 2: chọn CPU (xem hình 3.45)
Hình 3.43 Chọn CPU 1212C DC/DC/DC
Bước 3: Cấu hình phần cứng cho thiết bị (xem hình 3.46)
Devices & networks > device overview > Hardware catalog > “search” > CB
Hình 3.44 Cấu hình phần cứng cho thiết bị
Hình 3.45 Cấu hình phần cứng cho thiết bị
Hình 3.46 Cấu hình các thông số cho phù hợp
Lập trình đọc dữ liệu qua giao thức Modbus
Network 1: Lệnh "MB_COMM_LOAD" dùng để cấu hình một cổng để giao tiếp bằng giao thức Modbus RTU (xem hình 3.49)
Hình 3.47 Khối chức năng MB_COMM_LOAD
Network 2: Lệnh "MB_MASTER" cho phép chương trình giao tiếp như một Modbus chính bằng cách sử dụng một cổng trên mô-đun điểm-điểm (CM) hoặc bảng truyền thông (CB) (xem hình 3.50)
Hình 3.48 Khối chức năng MB_MASTER
Bảng địa chỉ vùng nhớ dữ liệu của đồng hồ selec (xem hình 3.51)
Hình 3.49 Bảng địa chỉ vùng nhớ dữ liệu của đồng hồ selec
Network 4: đọc giá trị điện áp (xem hình 3.53)
Network 5: đọc giá trị cospi (xem hình 3.54)
Network 6: đọc giá trị tần số (xem hình 3.55)
Network 7: đọc giá trị công suất (xem hình 3.56)
Network 8: đọc giá trị dòng điện (xem hình 3.57)
3.6.2.1 Tổng quan về giao thức Profinet
Profinet, thường được viết tắt là PROFINET, là một tiêu chuẩn kỹ thuật công nghiệp cho phép truyền dữ liệu qua Ethernet công nghiệp Nó được thiết kế nhằm thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị trong các hệ thống công nghiệp, đặc biệt nổi bật với khả năng cung cấp dữ liệu trong thời gian thực với độ trễ chỉ 1ms hoặc thấp hơn.
Hình 3.56 Tổng quan về Profinet
Giao diện vật lý được sử dụng cho Profinet là giắc cắm Ethernet RJ-45 tiêu chuẩn (xem hình 3.59)
Profinet là một giải pháp mạng công nghiệp hoạt động với tốc độ 100 megabit/giây, cho phép chiều dài dây cáp lên tới 100 mét Nhờ vào tốc độ cao và thời gian phản hồi dưới 1 phần nghìn giây, Profinet trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao.
Profinet sử dụng các tiêu chuẩn kết nối vật lý tương tự như Ethernet, cho phép sử dụng các bộ chuyển mạch Ethernet tiêu chuẩn để mở rộng mạng Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất và khả năng mở rộng của hệ thống mạng, như thể hiện trong hình 3.60.
Hình 3.59 Kết nối phần cứng
3.6.2.3 Truyền thông Profinet giữa Logo! Và PLC S7-1200
Cấu hình phần cứng cho PLC Logo! trên phần mềm LOGO!soft comfort v8.3
Tổng quan về phần mềm LOGO!soft comfort v8.3 (xem hình 3.62)
LOGO! Soft comfort v8.3 là một phần mềm lập trình plc LOGO của hãng Siemens
Hình 3.60 Giao diện của phần mềm LOGO!soft comfort v8.3 Các tính năng mới trong LOGO! Soft Comfort V8.3
Cải tiến bảo mật & khả năng sử dụng, Kết nối đám mây tùy chọn (AWS)
Cải tiến bảo mật, kết nối cloud dễ dàng, khả năng tương thích cao
Cấu hình phần cứng cho PLC Logo!
Bước 1: khởi động phần mềm LOGO!soft comfort v8.3 và tạo Project mới
File > New > Ladder diagram(LAD) (xem hình 3.63)
Hình 3.61 Khởi động phần mềm và tạo Project mới
Network project > Add new device > LOGO! 8.3 > OK
Ta đặt địa chỉ IP cho Logo! là 192.168.1.100 (xem hình 3.64)
Hình 3.62 Chọn thiết bị Logo! 8.3
Network project > Add new device > S7-compatible devices > OK
Ta đặt địa chỉ IP cho PLC S7-1200 là 192.168.1.101 (xem hình 3.65)
Hình 3.63 Chọn thiết bị PLC S7-1200 Sau khi add thiết bị ta được như hình: (xem hình 3.66)
Hình 3.64 Add thiết bị thành công
Bước 4: Kết nối PLC Logo! với PLC S7-1200
Ta kéo thả chuột từ PLC Logo! sang PLC S7-1200 (xem hình 3.67)
Để kiểm tra kết nối giữa PLC Logo! và PLC S7-1200, bạn chỉ cần nhấn đúp chuột vào đường màu xanh Kết quả sẽ hiển thị như hình 3.68.
Hình 3.66 Kiểm tra kết nối
Cấu hình phần cứng cho PLC S7-1200 trên phần mềm Tia portal v16
Bước 1: tạo một project mới
START > Create new project > create (xem hình 3.69)
Hình 3.67 Tạo một project mới
Bước 2: chọn CPU (xem hình 3.70)
Hình 3.68 Chọn CPU 1212C DC/DC/DC
Bước 3: đặt địa chỉ IP cho thiết bị phần cứng (xem hình 3.71) Đưa con trỏ chuột vào cổng ethernet > click chuột phải > properties
Hình 3.69 Các bước cài đặt địa chỉ IP Ethernet addresses > IP protocol đặt địa chỉ IP của PLC S7-1200 là: 192.168.1.101 > add new subnet (xem hình 3.72)
Hình 3.70 Đặt địa chỉ IP cho PLC S7-1200
Ta được kết quả như hình: (xem hình 3.73)
Hình 3.71 Kết quả sau khi add new subnet
Bước 4: thiết lập kết nối cho PLC S7-1200
Vào thẻ connections > chọn S7 connection (xem hình 3.74)
Hình 3.72 Các bước thiết lập kết nối cho PLC S7-1200 Đưa con trỏ chuột vào PLC sau đó click chuột phải > chọn add new connection
Hình 3.73 Các bước thiết lập kết nối cho PLC S7-1200 Chọn ADD > Close (xem hình 3.76)
Hình 3.74 Các bước thiết lập kết nối cho PLC S7-1200
Ta được kết quả như hình: (xem hình 3.77)
Hình 3.75 Các bước thiết lập kết nối cho PLC S7-1200
Bước 5: đặt địa chỉ IP cho PLC Logo!
Ta đăt địa chỉ cho PLC Logo! là 192.168.1.100 (xem hình 3.78)
Hình 3.76 Đặt địa chỉ IP cho PLC Logo!
Bước 6: Cho phép truyền thông PUT/GET
Click chuột phải vào PLC > chọn Properties > chon protection & security > connection mechanisms > tick chọn vào ô vuông (xem hình 3.79)
Hình 3.77 Cho phép truyền PUT/GET
Tổng quan về giao thức HTTP
HTTP, hay Giao thức truyền tải siêu văn bản, là nền tảng kết nối giữa client và server trên www (world wide web) Client có thể là bất kỳ thiết bị nào như PC hay smartphone, trong khi server đại diện cho các máy tính trên đám mây Giao thức HTTP cho phép trao đổi và sử dụng nhiều nguồn tài nguyên khác nhau, bao gồm các tài liệu HTML, với mỗi tài liệu hoàn chỉnh được cấu thành từ nhiều tài liệu con như văn bản, layout, media, video và script.
Giao thức HTTP là một giao thức tầng ứng dụng của bộ giao thức TCP/IP (các giao thức nền tảng cho Internet).[5]
Hình 3.78 Tổng quan về giao thức HTTP
Cấu trúc cơ bản của HTTP (xem hình 3.81)
Giao thức HTTP có cấu trúc hoạt động đơn giản, cho phép giao tiếp giữa Client và Server Client, thường là người dùng truy cập thông qua trình duyệt web, trong khi Server đại diện cho website, chứa các kịch bản phản ứng từ máy chủ và cơ sở dữ liệu.
