Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp

BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA — – ˜ & ™ — – BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NCKH & PTCN CẤP BỘ NĂM 2010 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG CẢNH BÁO RỦI RO CHO CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG NGHIỆP Cơ quan chủ trì: Chủ nhiệm đề tài: VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA TRẦN VĂN TUẤN HÀ NỘI - 2010 BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA — – ˜ & ™ — – BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NCKH & PTCN CẤP BỘ NĂM 2010 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG CẢNH BÁO RỦI RO CHO CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG NGHIỆP CƠ QUAN CHỦ TRÌ VIỆN TRƯỞNG TS. Nguyễn Thế Truyện CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI ThS. Trần Văn Tuấn DANH SÁCH CÁN BỘ CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI STT TÊN CÁN BỘ THỰC HIỆN 1 ThS. Trần Văn Tuấn 2 KS. Tạ Văn Nam 3 ThS. Phạm Thùy Dung 4 KS. Đoàn Vũ Duy Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp Đề tài cấp bộ 2010 LỜI NÓI ĐẦU Theo số liệu thống kê, tính đến năm 2010 nước ta có khoảng 250 khu công nghiệp lớn nhỏ đang hoạt động, và đang có xu hướng không ngừng mở rộng cả về số lượng và diện tích sản xuất. Những khu công nghiệp này chủ yếu là các nhà máy sản xuất luôn đối mặt với nhiều rủi ro như cháy nổ, sập nhà xưởng, rò rỉ ga, mất trộm,… Trong khi đó, công tác phòng ngừa rủi ro cho các công trình công nghiệp hiện còn nhiều bất cập, đồng thời chất lượng thi công các công trình công nghiệp của nước ta còn nhiều vấn đề cần xem xét. Thời gian vừa qua, tại các khu công nghiệp đã xảy ra nhiều sự cố, gây ra những thiệt hại không nhỏ về người và của như vụ cháy khu công nghiệp An Đồn – Đà Nẵng, cháy lớn tại khu công nghiệp Yên Nghĩa, Hà Nội, hoặc vụ sập phân xưởng Nhà máy sản xuất Bao Bì ở xã Bình Trị, thuộc Khu kinh tế Dung Quất, … Trước thực trạng trên, cùng với sự phát triển của nền kinh tế, nhiều cơ sở và công trình công nghiệp của nước ta đang được xây dựng mới hoặc cải tạo cho phù hợp các điều kiện về an toàn. Do giá thành trang bị các hệ thống này tương đối cao mà hiệu quả thực tế nhiều khi chưa mang lại ngay nên nhiều công trình công nghiệp (nhà máy, xí nghiệp, khu công nghiệp) chưa trang bị đồng bộ và rộng rãi các hệ thống giám sát rủi ro (hơi ga, cháy, độ ẩm, biến dạng kết cấu, độ nghiêng, nhiệt độ,…). Ngoài ra một số lượng lớn các cơ sở công nghiệp cũng được trang bị các hệ thống giám sát rủi ro nhưng sử dụng nhiều công nghệ đơn giản hoặc các hệ hoạt động độc lập và riêng rẽ gây khó khăn cho quản lý thống nhất. Hiện nay các hệ thống tương tự tại Việt Nam đều do nước ngoài lắp đặt hoặc các đơn vị trong nước tích hợp bằng ghép nối các phần mua sẵn (phần cứng và phần mềm) do vậy giá thành cao, chi phí bảo trì nâng cấp cao. Vì vậy chủ động thiết kế chế tạo hệ thống trong nước sẽ cho phép giảm giá thành, từ đó tạo điều kiện cho các doanh nghiệp đầu tư cho hệ thống này để nâng cao hiệu quả hoạt động. Đặc biệt với việc ứng dụng các kỹ thuật mạng sensor không dây mới nhất vào các hệ thống sẽ giúp phần làm giảm giá thành và chi phí hoạt động của hệ thống cũng như có những ưu điểm vượt trội về số lượng các điểm đo nên có thể thu thập được rất nhiều thông tin hữu ích mà các hệ truyền thống không thể có được. Hiện nay ở Việt Nam việc nghiên cứu triển khai các hệ thống điều khiển, quản lý tòa nhà đã có nhiều công ty và các đơn vị nghiên cứu. Nhưng đối với các hệ thống cảnh báo rủi ro trong công nghiệp thì hầu như chưa có. Chưa thấy có nghiên cứu chính thức nào trong việc xây dựng hệ thống cảnh bảo rủi ro trong công nghiệp tại Việt Nam được công bố. Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp Đề tài cấp bộ 2010 Hệ thống cảnh báo rủi ro tại Việt Nam đều do nước ngoài lắp đặt hoặc các đơn vị trong nước tích hợp bằng ghép nối các phần mua sẵn (phần cứng và phần mềm). Mặt khác các hệ thống này đều dựa trên mạng hữu tuyến. Việc ứng dụng mạng sensor không dây vào giải pháp trên chưa được các đơn vị R&D tập trung phát triển và ứng dụng. Nhận thấy nhu cầu và xu hướng ứng dụng những hệ thống cảnh báo rủi ro trong các công trình công nghiệp trong nước ngày càng lớn, đặc biệt khi các khu công nghiệp ngày càng mở rộng không ngừng cả về quy mô cũng như số lượng, nhóm nghiên cứu chúng tôi nhận định việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một hệ thống như vậy trong nước tại thời điểm này là một bước đi đúng, nắm bắt được nhu cầu thực tế và có nhiều khả năng thương mại hóa sản phẩm. Với nhận định đó, chúng tôi đã tiến hành lựa chọn thực hiện đề tài: “ Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp” Để xây dựng được một hệ thống quản lý, giám sát hoàn chỉnh, mang tính hiện đại, theo xu hướng chung của các hệ thống quản lý giám sát tiên tiến, vừa đáp ứng các yêu cầu và điều kiện kỹ thuật và ứng dụng của Việt Nam, đồng thời xác định đây là một hướng nghiên cứu mới, nhiều thách thức và khó khăn, dó đó chúng tôi dự kiến thực hiện đề tài trong hai năm, từng bước hoàn thiện thiết kế cũng như ứng dụng của hệ thống cho phù hợp nhất, khả thi nhất tại thời điểm hiện tại, đồng thời cũng tính đến những hướng mở cho hệ thống. Đề tài được thực hiện theo hai giai đoạn. Năm thứ nhất, đề tài tập trung nghiên cứu chế tạo các module cảm biến không dây và thiết kế ứng dụng; trong năm thứ hai, đề tài sẽ tập trung hoàn thiện hệ thống với các chức năng quản lý và giám sát đầy đủ hướng tới đối tượng ứng dụng cụ thể. Mục tiêu của đề tài: • Làm chủ thiết kế, quy trình công nghệ chế tạo hệ thống cảnh báo rủi ro trên cơ sở mạng sensor không dây • Xây dựng cơ sở công nghệ cho hệ thống đảm bảo chất lượng theo yêu cầu mở của hệ thống • Góp phần đảm bảo chất lượng, nâng cao tính an toàn cho các công trình công nghiệp. Để đảm bảo trong một thời gian ngắn có thể sớm thực hiện một khối lượng công việc khá lớn và tương đối phức tạp, bao gồm nhiều vần đề kỹ thuật và công nghệ mới so với thực tế ở Việt Nam, chúng tôi chọn một số cách tiếp cận sau: Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp Đề tài cấp bộ 2010 - Tham khảo các hệ thống cảnh báo rủi ro trong và ngoài nước và dựa vào điều kiện thực tế của Việt Nam, trên cơ sở đó tiến hành lập phương án thiết kế hệ thống dựa trên mạng sensor không dây. - Áp dụng các công nghệ mới nhất về sensor không dây để đưa vào thiết kế. - Lựa chọn chế tạo các module thiết bị. - Thiết kế và phản biện thiết kế. Giai đoạn 1, năm 2010, chúng tôi dự kiến thực hiện các nội dụng chính sau: - Khảo sát, phân tích và đánh giá, dự báo nhu cầu sử dụng của các công trình công nghiệp. Trên cơ sở đó lập phương án ứng dụng. - Thiết kế hệ thống phần cứng - Thiết kế và xây dựng phần mềm cho hệ thống - Chế tạo các module phần cứng đáp ứng một số chỉ tiêu an toàn trong công nghiệp - Thử nghiệm các chức năng của các module đã chế tạo Các sản phẩm cụ thể của đề tài trong giai đoạn 1: Nghiên cứu thiết kế chế tạo Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp dựa trên mạng sensor không dây bao gồm: - Bộ chương trình nhúng cho các loại module phần cứng khác nhau. - Các module phần cứng đo và cảnh báo nhiệt độ, độ ẩm, khói và độ nghiêng. Các module này hoạt động như một nút sensor quan sát thông minh có khả năng tương tác với nhau Mỗi module có các tính năng sau: • Cấu hình từ xa và định nghĩa lại chức năng qua phần mềm • Khoảng cách truyền tin >50m • Truyền thông dạng mesh (lưới) • Chạy pin hoặc nguồn DC • Số đầu vào tương tự cấu hình được: 4 Trong báo cáo này, chúng tôi sẽ trình bày các nội dụng nghiên cứu trên thành 6 phần: Phần 1. Nêu những kết quả khảo sát, phân tích, đánh giá các hệ thống và các thành phần của hệ thống giám sát rủi ro trong các công trình công nghiệp, từ đó đưa ra lựa chọn cấu trúc, chức năng của hệ thống giám sát của đề tài Phần 2. Trình bày chi tiết thiết kế tổng thể và thiết kế phần cứng cho hệ thống Phần 3. Trình bày thiết kế phần mềm Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp Đề tài cấp bộ 2010 Phần 4. Thực hiện thiết kế ứng dụng cho hệ thống Phần 5. Thử nghiệm, đánh giá kết quả, và một số hình ảnh sản phẩm của đề tài Phân 6. Kết luận Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp Đề tài cấp bộ 2010 MỤC LỤC PHẦN 1 KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ, DỰ BÁO NHU CẦU SỬ DỤNG CỦA CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG NGHIỆP 1 1.1 KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT RỦI RO TRONG CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG NGHIỆP 1 1.2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG GIÁM SÁT RỦI RO CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG NGHIỆP DỰA TRÊN MẠNG SENSOR KHÔNG DÂY 6 1.2.1 Cấu trúc hệ thống 6 1.2.2 Cảm biến không dây sử dụng trong các hệ thống giám sát rủi ro 7 PHẦN 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHẦN CỨNG 15 2.1 THIẾT KẾ TỔNG THỂ VÀ CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ 15 2.2 THIẾT KẾ CHI TIẾT PHẦN CỨNG CÁC MODULE 18 2.2.1 Thiết kế nút Router ERM.02 21 2.2.2 Thiết kế Module độ ẩm và nhiệt độ ERM.03 22 2.2.3 Thiết kế module báo khói ERM.04 24 2.2.4 Thiết kế Module đo độ biến dạng ERM.05 25 2.2.5 Thiết kế Module độ nghiêng ERM.06 27 PHẦN 3 XÂY DỰNG PHẦN MỀM HỆ THỐNG 30 3.1 Tiêu chí thiết kế 30 3.2 Kiến trúc hệ thống 30 3.3 Xây dựng các module phần mềm RISKMON FIRMWARE 32 PHẦN 4 THIẾT KẾ ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG 40 PHẦN 5 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 44 5.1 THỬ NGHIỆM 44 5.1.1 Mục đích thử nghiệm 44 5.1.2 Phương pháp thử nghiệm 44 5.1.3 Thử nghiệm 44 5.1.4 Thử nghiệm Hệ thống 50 5.2 SẢN PHẨM CỦA ĐỀ TÀI 53 PHẦN 6 KẾT LUẬN 58 Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp Đề tài cấp bộ 2010 MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1-1: Các công trình ứng dụng hệ thống giám sát rủi ro 2 Hình 1-2: Cảnh báo rủi ro với mạng sensor không dây 4 Hình 1-3: Các lĩnh vực ứng dụng cảm biến không dây 4 Hình 1-4: Cấu trúc một hệ thống giám sát rủi ro dựa trên mạng sensor không dây 7 Hình 1-5: Mạng hình sao và mạng mắt lưới của ZigBee 9 Hình 2-1: Cấu trúc hệ giám sát rủi ro của đề tài 17 Hình 2-2: Cấu trúc một nút cảm biến không dây 18 Hình 2-3: Sơ đồ khối nguồn các module 19 Hình 2-4: Sơ đồ khối cấu trúc của ZDM-A1281-B0 21 Hình 2-5: Sơ đồ khối thiết kế nút Router ERM.02 22 Hình 2-6: Đầu dò đo nhiệt độ, độ ẩm 23 Hình 2-7: Sơ đồ khối Module đo nhiệt độ, độ ẩm 24 Hình 2-8: Đầu báo khói SLR-835B 25 Hình 2-9: Sơ đồ khối Module báo khói 25 Hình 2-10: Đầu dò đo biến dạng 26 Hình 2-11: Cầu điện trở 26 Hình 2-12: Sơ đồ khối module đo độ biến dạng 27 Hình 2-13: Moudle đo độ nghiêng MMA745xL 28 Hình 2-14: Sơ đồ khối Module đo độ nghiêng 28 Hình 3-1: Kiến trúc hệ thống 30 Hình 3-2: Module giao tiếp và quản trị mạng sensor 31 Hình 3-3: Kiến trúc phần mềm trên các nút (RISKMON FIRMWARE) 31 Hình 3-4: Kiến trúc hệ Pub/Sub 34 Hình 3-5: Thuật toán họat động của module xử lý sự kiện 35 Hình 3-6: Module ứng dụng MF-AP 35 Hình 3-7: Thuật toán họat động của module MF-AP 36 Hình 3-8: Sơ đồ khối truyền thông giữa khối điều khiển và khối truyền thông 37 Hình 3-9: Quá trình trao đổi thông tin 37 Hình 3-10: Sơ đồ thuật toán giao tiếp 38 Hình 4-1: Khu vực các phòng ban 41 Hình 4-2: Khu vực kho chứa hàng 41 Hình 4-3: Khu vực các xưởng sản xuất trong nhà máy dệt may 42 Hình 4-4: Mô hình ứng dụng hệ thống 43 Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp Đề tài cấp bộ 2010 Hình 5-1: Bố trí thử nghiệm ERM.05 45 Hình 5-2: Bố trí thử nghiệm đánh giá mức tiêu thụ điện năng trên các module 47 Hình 5-3: Bố trí thử nghiệm đánh giá khả năng truyền tin của các Module 49 Hình 5-4: Hình ảnh dữ liệu máy tính nhận được liên tục từ các module hiện trường 52 Hình 5-5: Đồ thị giám sát nhiệt độ, độ ẩm từ dữ liệu thu thập từ các module hệ thống 52 Hình 5-6: Hình ảnh các loại Module không dây của đề tài 53 Hình 5-7: Hình ảnh Module ERM.02 54 Hình 5-8: Hình ảnh ERM.03 54 Hình 5-9: Hình ảnh Module ERM.04 55 Hình 5-10: Hình ảnh Module ERM.06 55 Hình 5-11: Hình ảnh Module ERM.05 56 Hình 5-12: Hình ảnh bên trong module 57 Hình 5-13: Hình ảnh Module cùng hộp thiết kế 57 [...]... mà các hệ truyền thống không thể có được Đề tài cấp bộ 2010 5 Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp Việc nghiên cứu triển khai các hệ thống điều khiển, quản lý tòa nhà đã có nhiều công ty và các đơn vị nghiên cứu Nhưng đối với các hệ thống cảnh báo rủi ro trong công nghiệp thì hầu như chưa có Chưa thấy có nghiên cứu chính thức nào trong việc xây dựng hệ thống cảnh bảo rủi ro trong công. .. đời, các hệ thống cảnh báo rủi ro trong công nghiệp Đề tài cấp bộ 2010 1 Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp (Risk monitoring system) đã và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều cơ sở công nghiệp trên thế giới Việc sử dụng các hệ thống trên nâng cao đáng kể mức độ an toàn cho các công trình công nghiệp Để có thể đưa ra các đánh giá chính xác về tình trạng của các công trình, hệ thống. .. việc, giảm thiểu các thiệt hại về người về của, nâng cao tính an toàn và nâng cao hiệu quả cho các công trình nói chung, các công trình công nghiệp nói riêng Đề tài cấp bộ 2010 14 Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp PHẦN 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHẦN CỨNG Như đã phân tích, nhận định trong phần I, Đề tài lựa chọn thiết kế hệ thống giám sát rủi ro cho các công trình công nghiệp sử dụng mạng... 2010 13 Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp • Có khả năng mở rộng hệ thống sẵn sàng cho nhiều ứng dụng Trên đây chúng tôi đã nêu những kết quả khảo sát, đánh giá cần thiết về hệ thống giám sát rủi ro các công trình công nghiệp, về cấu trúc hệ thống, xu hướng phát triển và xu hướng ứng dụng của hệ thống, trình bày những vấn đề kỹ thuật xung quanh cảm biến không dây của hệ thống Quan.. .Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp PHẦN 1 KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ, DỰ BÁO NHU CẦU SỬ DỤNG CỦA CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG NGHIỆP 1.1 KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT RỦI RO TRONG CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG NGHIỆP Các tòa nhà, phân xưởng, nhà máy, xí nghiệp thường xuyên phải chịu tác động của thiên nhiên như động đất,... thể về cấu trúc, các thành phần của các hệ thống giám sát rủi ro cũng như cấu trúc và các loại cảm biến được dùng trong hệ thống 1.2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG GIÁM SÁT RỦI RO CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG NGHIỆP DỰA TRÊN MẠNG SENSOR KHÔNG DÂY 1.2.1 Cấu trúc hệ thống Một hệ thống giám sát rủi ro trong công nghiệp thực hiện giám sát các đại lượng vật lý có khả năng ảnh hưởng đến sức khỏe cấu trúc của hệ thống, tác động... giảm thiểu các chi phí Đề tài cấp bộ 2010 15 Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp cho sửa chữa, và giảm các thiệt hại đáng tiếc về người và của trong các công trình công nghiệp và dân dụng Để xây dựng được một hệ thống hiệu quả, tạo ra một mô hình thông tin chi tiết về tình trạng của toàn công trình, hệ thống giám sát đòi hỏi phải có một hệ thống cảm biến dày đặc giám sát các thông... sở cho các giải pháp tích hợp trong tất cả các hệ thống giám sát và điều khiển trong ngành công nghiệp và cho phép truyền thông ngay cả ở những vùng nguy hiểm hoặc không thể tiếp cận sử dụng công nghệ thông thường Đề tài cấp bộ 2010 3 Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp Hình 1-2: Cảnh báo rủi ro với mạng sensor không dây Các cảm biến không dây ngày càng được sử dụng phổ biến trong... xưởng, xí nghiệp, kho bãi, đường ống dẫn dầu, các tòa nhà: cao tầng, bệnh viện, tháp, đấu trường / sân vận động, các cấu trúc lịch sử • Các hệ thống giao thông: cầu, sân bay, bến cảng, đường sắt • Cấu trúc khác: tua bin gió, đường hầm, Hình 1-1: Các công trình ứng dụng hệ thống giám sát rủi ro Đề tài cấp bộ 2010 2 Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp Các hệ giám sát truyền thống gồm... chọn được hướng nghiên cứu thiết kế của đề tài: xây dựng hệ thống giám sát rủi ro các công trình công nghiệp ứng dụng mạng cảm biến không dây thông minh Đây là một hướng nghiên cứu đúng đắn, phù hợp với xu thế nghiên cứu ứng dụng các hệ thống giám sát đo lường trên thế giới, đồng thời tạo điều kiện cho các doanh nghiệp, các cơ sở sản xuất trong nước có điều kiện ứng dụng các công nghệ tiên tiến với . đời, các hệ thống cảnh báo rủi ro trong công nghiệp Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp Đề tài cấp bộ 2010 2 (Risk monitoring system) đã và đang được sử dụng rộng rãi trong. Hình 1-1: Các công trình ứng dụng hệ thống giám sát rủi ro Hệ thống cảnh báo rủi ro cho các công trình công nghiệp Đề tài cấp bộ 2010 3 Các hệ giám sát truyền thống gồm một mạng lưới các cảm. GIÁ CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT RỦI RO TRONG CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG NGHIỆP 1 1.2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG GIÁM SÁT RỦI RO CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG NGHIỆP DỰA TRÊN MẠNG SENSOR KHÔNG DÂY 6 1.2.1 Cấu trúc hệ thống