BÀI TẬP LỚN Môn học : HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN “Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển” potx

Bài Tập Lớn : Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Và Điều Khiển BÀI TẬP LỚN Môn học : HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN “Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển” Sinh Viên :Trần Văn Kiển 1 Bài Tập Lớn : Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Và Điều Khiển TRƯỜNG ĐHCNQN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN Độc lập - Tự do - Hạnh phúc BÀI TẬP LỚN Môn học : HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN Sinh viên: ……………………………………………… Lớp : Ngành : Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Giáo viên hướng dẫn : Lê Văn Tùng Ngày giao đề : 09/03/2011 Ngày hoàn thành : 09/04/2011 I. Tên đề tài : “Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển” II. Nội dung thuyết minh tính toán Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển hiển thị tại chỗ theo nhóm cảm biến và đưa về trung tâm điều khiển. Số nhóm tối đa là 4. 1. Lựa chọn phương án thiết kế hệ thống DAQ&C. 2. Thiết kế hệ thống theo phương án đã lựa chọn (lựa chọn chuẩntruyền thông). 3. Định địa chỉ cho các cảm biến. 4. Lựa chọn các thiết bị trong hệ thống (tranmister, mux, demux, repeater, cáp truyền dẫn , thiết bị hiển thị v.v). III. Các bản vẽ và kết quả mô phỏng …………………………………………………………………… GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Lê Văn Tùng Sinh Viên :Trần Văn Kiển 2 Bài Tập Lớn : Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Và Điều Khiển NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Quảng Ninh,ngày….,tháng….,năm 20 GIÁO VIÊN CHẤM (ký và ghi rõ họ tên) Sinh Viên :Trần Văn Kiển 3 Bài Tập Lớn : Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Và Điều Khiển MỤC LỤC Lời nói đầu 4 Đề tài 5 Chương 1 : Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển 1.1 .Phương án thiết kế hệ thống DAQ&C……………….… 6 1.1.1 Tổng quan về hệ DAQ&C…… ……………………… …6 1.1.2 Phân loại hệ thống DAQ&C ……… ………………… …9 1.2 Chọn phương án thiết kế hệ thống……………………….…11 1.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống………………………………… 11 1.2.2 Chức năng các khối trong sơ đồ…………………… …11 1.3. Định địa chỉ cho cảm biến………………………………….14 Chưong 2 : Lựa chọn các thiết bị trong hệ thống ………………………….17 2.1 Cảm biến đo nhiệt độ: dải đo từ 0 đến 600 0 C…………… 17 2.2 Cảm biến đo áp suất: dải đo từ -0.1 đến 32 Mpa………… 19 2.3 Cảm biến đo nồng độ……………………………………… 23 2.4 : Cảm biến đo dòng điện: dải đo từ 0 – 500A………………26 2.5. Cảm biến đo lưu lượng: d= 50mm; dải đo từ 0.5-10 m/s…… 2.6. Cảm biến đo mức: dải đo max 2.5 m………………………. 2.7. Cảm biến đo tốc độ quay: dải đo 0 – 1500vòng/phút……… 2.8. Cảm biến đo khối lượng : dải đo 0 – 30000kg…………… 2.9 Lựa chọn truyền dẫn RS232,RS485…………………………. 2.10.Lựa chọn cáp truyền dẫn…………………………………… 2.11 ADC……………………………………………………… 2.12 Lựa chọn Mux,DeMux… ………………………………… 2.13 Chuyển đổi dòng áp…………………………………….… 2.14 Lựa chọn bộ vi xử lý trung tâm………………………….…. Lời nói đầu Sinh Viên :Trần Văn Kiển 4 Bài Tập Lớn : Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Và Điều Khiển Kỹ thuật thông tin đo lường là một bộ phận quan trọng của kỹ thuật hiện đại.Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và đặc biệt là sự ứng dụng công nghệ mới vào quá trình sản xuất ,nền thông tin đo lường ngày nay ngày càng phát triển đóng vai trò và tầm quan trọng rất lớn và cần thiết .Nó có vai trò thu thập thông tin và để điều khiển của cả một quá trình sản xuất tự động.Đáp ứng ngày càng cao của công nghiệp hóa hiện đại hóa.Thiết bị đo và hệ thống đo lường ngày càng phát triển hơn nhờ việc áp dụng kỹ thuật vi điện tử,vi xử lý và máy tính,vì vậy những kết quả đo chính xác một cách tin cậy ,chính xác hơn.Người ta đã tạo ra những thiết bị thông minh nhờ cài đặt vào chúng những thiết bị vi xử lý hay đơn phiến,nhờ đó chúng có những tính năng hơn hẳn những thiết bị thông thường :tự xử lý và tự lưu kết quả đo ,làm việc theo một chương trình ,tự động thu thập số liệu đo ,có khả năng truyền tín hiệu đi xa. Sau thời gian học tập ,tìm hiểu nghiêm túc cộng với sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của thầy giáo LÊ VĂN TÙNG em đã hoàn thành cơ bản môn học này.Với khả năng có hạn ,kinh nghiệm thực tế hạn hữu.Em hoàn thành môn đồ án này trên cơ sở lý thuyết đã được học tập nên có rất nhiều thiếu sót.Vì vậy,em rất mong được sự giúp đỡ của thầy để đồ án của em hoàn thành tốt hơn. Em xin trân thành cảm ơn thầy LÊ VĂN TÙNG đã nhiệt tình giúp đỡ em để em hoàn thành đồ án một cách tốt nhất. Sinh viên Trần Văn Kiển Sơ đồ 21: Sinh Viên :Trần Văn Kiển 5 Bài Tập Lớn : Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Và Điều Khiển Cho một mặt bằng nhà máy cần xây dựng hệ thống DAQ&C như sau: Chiều dài × chiều rộng của một ô là 25m × 25m Số lượng cảm biến thu thập đại lượng vật lý trong toàn hệ thống: S1: Cảm biến đo nhiệt độ: dải đo từ 0 đến 6000C S2: Cảm biến đo áp suất: dải đo từ -0.1 đến 32 Mpa S3: Cảm biến đo nồng độ: dải đo từ 0% đến 15% S4: Cảm biến đo dòng điện: dải đo từ 0 – 500A S5: Cảm biến đo lưu lượng: đường kinh 50mm; dải đo từ (flow span) 0.5-10 m/s S6: Cảm biến đo mức: dải đo max 2.5 m S7: Cảm biến đo tốc độ quay: dải đo 0 – 1500vòng/phút S8: Cảm biến đo khối lượng : dải đo 0 – 30000kg Chương I: Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển 1.1 Phương án thiết kế hệ thống Sinh Viên :Trần Văn Kiển 6 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 Trung tâm điều khiển và giám sát S5 S7 S1 S4 S2 S1 Bài Tập Lớn : Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Và Điều Khiển Để thiết kế hệ thống thông tin đo lường giám sát hiển thị tại chỗ theo nhóm cảm biến và hiển thị trung tâm điều khiển của một nhà máy có mặt bằng như hình 1 cần (S1,S2,S3,) (S4,S5,S5,S6) (S1,S4,S7) (S7,S8) thì bộ điều khiển tại trung tâm điều khiển cần được ghép nối với các cảm biến và cơ cấu chấp hành.Như vậy nhiệm vụ của người thiết kế là phải thiết kế các tín hiệu thu được từ các cảm biến truyền đến bộ điều khiển và tại trung tâm điều khiển người quan sát sẽ quan sát các tín hiệu gửi về điều khiển hoạt động của nhà máy theo mong muốn. 1.1.1 Tổng quan về hệ DAQ&C a, Khái niệm chung về hệ thu thập dữ liệu và điều khiển Trong các nhà máy, việc kiểm soát và vận hành liên tục quá trình sản xuất đóng vai trò đặc biệt quan trọng. Để tạo ra một sản phẩm, nhà máy thường được phân thành nhiều khâu chuyên môn khác nhau, các khâu lại có mối quan hệ ràng buộc logic nhịp nhàng trong một hệ thống thống nhất. Chính vì thế một hệ thu thập dữ liệu với vai trò liên tục kiểm soát các thông số, tình trạng hoạt động của tất cả các bộ phận sản xuất và đưa thông tin về trung tâm điều hành sản xuất là không thể thiếu với bất kỳ dây truyền sản xuất nào. Cùng với sự phát triển của ngành công nghệ thông tin, tin học ứng dụng trong công nghiệp đã và đang phát triển mạnh mẽ. Sự ra đời của hàng loạt các chip vi điều khiển với cấu hình ngày càng cao như AVR, PIC , MCS51… cùng với nó là sự phát triển của công nghệ sản xuất sensor, về các phương pháp đo lường, về các hệ thống truyền dẫn thông tin khiến cho việc xây dựng và thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển ngày càng đơn giản và hiệu quả. Hệ thu thập dữ liệu là một hệ có chức năng nhận và biến đổi những tín hiệu vào(tương tự, số) thành số liệu tương ứng với giá trị đo, để đánh giá mức độ, cảnh báo, hiển thị và điều khiển một số quá trình công nghệ. Nhiệm vụ chủ yếu của hệ là đo đạc tín hiệu đã chuẩn hóa từ sensor, xử lý sơ bộ để làm dữ liệu cho các ứng dụng tùy theo yêu cầu của mỗi hệ thống công nghiệp như hiển thị, điều khiển, cảnh báo…ngoài ra còn làm dữ liệu cho các ứng dụng cao hơn khi kết nối với máy tính. Sinh Viên :Trần Văn Kiển 7 Bài Tập Lớn : Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Và Điều Khiển Hệ thu thập dữ liệu và điều khiển thì dữ liệu thu thập từ các sensor, được xử lý rồi đưa đến bộ điều khiển để thực hiện tác động điều khiển thích hợp cho đối tượng công nghiệp. Để thực hiện các việc hiển thị(LED,LCD) tùy theo các thông số lựa chọn mà CPU sẽ lấy giá trị tương ứng trong bộ nhớ để đưa ra hiển thị thông qua các cổng ra. Việc truyền tin từ vi điều khiển đến máy tính được thực hiện liên tục để truyền tín hiệu đo tới máy tính và truyền lệnh từ máy tính trở lại; Tín hiệu đo sau khi được thu thập, tính toán gia công sơ bộ được truyền thẳng tới máy tính để thực hiện các chương trình ứng dụng khác. Đồng thời máy tính cũng truyền các lệnh tới vi điều khiển như: đặt các thông số cho điều khiển một số quá trình, các cơ cấu chấp hành, cổng vào ra… Ngoài kết nối với máy tính theo chuẩn RS232, vi điều khiển còn thực hiện truyền thông đi xa theo chuẩn RS422/RS485. Đó là kiểu truyền tín hiệu vi sai do đó giảm được rất nhiều tác động của nhiễu, nên cho phép khoảng cách truyền lớn có thể đến 1,5km. Với chuẩn truyền thông RS485, hệ thống có thể tham gia vào mạng Proifibus trong công nghiệp. Hệ thống thu thập dữ liệu, thiết bị thu thập và điều khiển đang trở lên phổ biến với nhiều dạng và khả năng thực hiện công việc, giống như các máy tính và phần mềm công nghiệp thể hiện rõ sức mạnh về công nghệ. Trong bất kỳ một sự kết hợp nào giữa cảm biến/cơ cấu chấp hành (Sensor/actuator) cũng có thể nhanh chóng đáp ứng được những thay đổi về trạng thái, DAQ vẫn được phân biệt vì nó dựa trên tính năng thu thập nhiều ảnh chụp nhanh hoặc từng khoảnh khắc để phân tích và tạo khả năng phản ứng trong các tình huống đột xuất. Thời kỳ các bộ ghi dữ liệu, phần mềm HMI/SCADA và thậm chí cả các bảng PCI trước đây luôn giống nhau và luôn luôn thực thi các chức năng truyền thống được xác định một cách rõ ràng đã trở thành quá khứ. DAQ&C ngày càng trở lên phổ biến, nó đa dạng về thiết kế, phong phú về chức năng. Hiện nay có khoảng hơn 100 loại thiết bị khác nhau có thể thực hiện chức năng thu thập dữ liệu (DAQ): từ các hệ điều khiển phân tán(DCS) cho đến các bộ điều khiển logic khả trình (PLC) cũng như các máy tính, dù có nhiều thay đổi trong gần đây nhưng DAQ vẫn là thiết bị dùng để đo đạc và ghi tín hiệu. Sinh Viên :Trần Văn Kiển 8 Bài Tập Lớn : Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Và Điều Khiển Để thu thập được dữ liệu và ghi lại những sự thay đổi của tín hiệu thì hệ thống ngoài có phần cứng còn cần có phần mềm để thu thập được nhiều thông tin hơn, thực hiện chức năng trao đổi dữ liệu cho thông tin sau đó chuyển thông tin vào vào hệ thống dựa trên nền Windows. Trong một hệ thống cần thu thập dữ liệu và điều khiển thì nếu dùng hai hệ thống DAQ cùng hoạt động sẽ có hiệu quả hơn vì đối với cùng một ứng dụng, mỗi hệ thống có thể thu thập dữ liệu hoàn toàn khác nhau. Ví dụ, một hệ DAQ sẽ thu thập dữ liệu cơ bản về quá trình sản xuất thời gian thực. Hệ DAQ còn lại sẽ kiểm tra các dữ liệu chẩn đoán và khung thời gian liên quan đến nó, ví dụ như sự cố kẹt sẽ được ghi lại sau một tuần và nó sẽ chỉ ra một bức tranh toàn cảnh lớn hơn về các phần cần bảo trì, việc này sẽ không thể thấy rõ được nếu nó chỉ được theo dõi theo từng giờ. Như vậy ta có thể thấy rằng DAQ là thiết bị không thể thiếu trong sản xuất công nghiệp và ngày càng hoàn thiện. Tác dụng của hệ thu thập dữ liệu và điều khiển nhằm thu thập các dữ liệu tương tự, số, từ các bộ đếm, bộ định thời gian hay từ các cảm biến đo lường. Thông tin dữ liệu qua DAQ và đưa vào máy tính qua RS 232 hoặc truyền đi xa các chuẩn RS 485 đưa về trung tâm điều khiển. Đối với mỗi hệ thống sản xuất thì thiết bị điều khiển đóng vai trò là bộ não của quá trình, thiết bị điều khiển đưa ra tác động có chính xác hay không phụ thuộc rất nhiều vào dữ liệu thu thập được đưa về bộ điều khiển. Dữ liệu thu thập càng chính xác thì khi lựa chọn , thiết kế, hiệu chỉnh thiết bị điều khiển càng dễ dàng và rẻ tiền. b, Cấu trúc hệ thu thập dữ liệu và điều khiển Mục đích của bất kỳ hệ thu thập dữ liệu nào cũng để phục phụ cho quá trình giám sát, đánh giá hoặc điều khiển.Các thông số trong từng ứng dụng sẽ thể hiện các yêu cầu về độ phân giải, độ chính xác, số lượng kênh, số lượng điểm đo và tốc độ cho một hệ thu thập dữ liệu. Có rất nhiều các thành phần, linh kiện cũng như các giải pháp được sử dụng, từ các Card thu thập dữ liệu được cắm vào PC cho đến hệ thống lớn. Do đó trước khi tìm kiếm một giải pháp hệ thống thu thập dữ liệu nào đó, chúng ta nên phân tích kỹ lưỡng các yêu cầu về hệ thống trong ứng dụng để ta có sự lựa chọn cho phù hợp. Sinh Viên :Trần Văn Kiển 9 Bài Tập Lớn : Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Và Điều Khiển Ta có sơ đồ khối của hệ thống thu thập dữ liệu sau: Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc nối tiếp tổng quát của DAQ Từ đối tượng công nghiệp (ĐTCN) các thông tin như tín hiệu analog, tín hiệu số, tín hiệu sensor sẽ được đưa đến bộ chuyển đổi chuẩn hóa (CĐCH) đưa đến bộ gộp kênh MUX (Multiplexer) thông tin được đưa đến bộ biến đổi A/D (dưới dạng nối tiếp) và đưa vào bộ vi xử lý µP(vi xử lý) hoặc vi điều khiển µC. Từ bộ vi xử lý thông tin được đưa qua bộ phân kênh (DEMUX) để ra các thiết bị như dụng cụ đo số(LCD), máy tự ghi (REG), cảnh báo, máy tính và các thiết bị điều khiển hoặc truyền đi xa. 1.1.2 Phân loại hệ thống DAQ&C Theo sơ đồ cấu trúc thì hệ thu thập dữ liệu và điều khiển được phân thành 3 loại: a, Sơ đồ có các kênh thu thập dữ liệu song song Nguyên lý cơ bản của hệ thống này là các kênh thu thập dữ liệu được dẫn theo những đường dây riêng biệt chạy song song với nhau về bộ xử lý trung tâm, tại bộ xử lý trung tâm sẽ phân phối tín hiệu thu thập được cho các thiết bị điều khiển, LCD, máy tính…thông qua bộ phân kênh DEMUX. Sinh Viên :Trần Văn Kiển 10 1 n Truyền đi xa . . . . ANALOG SENSORRR S DIGITAL ĐTCN CĐCH2 CĐCHn MUX CĐCH1 A/ D µP MT DEMUX COM BĐK LCD 1 2 n . . . . ANALOG SENSORRR S DIGITAL ĐTCN CĐCH2 CĐCHn A/D A/D CĐCH1 A/D µP MT DEMUX COM BĐK LCD 1 2 n 1 n Truyền đi xa [...]... EN61010- 1: 2001, ô nhiễm lớp 2, đo lường thể loại CAT III 1000 V (dự kiến thoáng qua quá điện áp của 8.000 V) EMC: EN6132 6: 1997 + A 1: 1998+A 2: 2001 + A 3: 2003 Sinh Viên :Trần Văn Kiển 33 Bài Tập Lớn : Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Và Điều Khiển Sinh Viên :Trần Văn Kiển 34 Bài Tập Lớn : Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Và Điều Khiển Sinh Viên :Trần Văn Kiển 35 Bài Tập Lớn : Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Và Điều Khiển. .. ISO 900 1:2 000 và ISO 1400 1:2 004 cho môi trường Tổng quan Phạm vi hoạt động: •PH:0 tới 14 PH •ORP;-2000 tới +2000mV Kết hợp với:signet 3719 wet-tap Kết nối(CPVC):Twist-lock Sinh Viên :Trần Văn Kiển 28 Bài Tập Lớn : Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Và Điều Khiển Hiệu suất:>97%@250C Thời gian đáp ứng: • PH:97%@250C Thời gian đáp ứng PH: . Bài Tập Lớn : Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Và Điều Khiển BÀI TẬP LỚN Môn học : HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN “Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu. Viên :Trần Văn Kiển 7 Bài Tập Lớn : Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Và Điều Khiển Hệ thu thập dữ liệu và điều khiển thì dữ liệu thu thập từ các sensor, được