Đang tải... (xem toàn văn)
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.
Nguyễn Minh Hằng Lời nói đầu 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. 1 Nguyễn Minh Hằng 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. 2 Nguyễn Minh Hằng Sơ đồ 21: 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 3 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 Trung tâm điều khiển và giám sát S5 S7 S1 S4 S2 S1 Nguyễn Minh Hằng Chương I: Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển 1.1 Phương án thiết kế hệ thống 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 4 Nguyễn Minh Hằng 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. 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. 5 Nguyễn Minh Hằng 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, 6 Nguyễn Minh Hằng 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. 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 7 Nguyễn Minh Hằng 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, 8 Nguyễn Minh Hằng 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. 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. 9 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 Nguyễn Minh Hằng 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. 10 . . . . 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 [...]... khiển Cấu tạo:MUX là một mạch logic tổng hợp có nhiều đầu vào biến và một đầu ra.Khi có tín hiệu điều khiển hay còn gọi là các biến địa chỉ (ai).các biến dữ liệu xi tùy thu c vào dữ liệu được đưa tới đầu ra.Do đó bộ dồn kênh được xem như một bộ đổi nối có điều khiển d, Kênh truyền dẫn Làm nhiệm vụ truyền dẫn thông tin từ nơi đo đến nơi thu thập và xử lý thông tin e, Bộ chuyển đổi dòng áp Có tác dụng... chuẩn RS232 để đưa vào máy tính h, Chuẩn giao tiếp RS232 RS232 là chuẩn kết nối với các cổng của máy tính,có nhiệm vụ đưa tín hiệu từ kênh truyền dẫn vào máy tính 17 Nguyễn Minh Hằng i, Thiết bị xử lý trung tâm ,hiển thị trung tâm Là nơi thu nhận tín hiệu từ các sensor và hiển thị ra màn hình để người quan sát biết được tình hình để kịp thời khắc phục sự cố nếu có 1.3 Định địa chỉ cho cảm biến a Cấu tạo... số điều chỉnh ví dụ như bộ chuyển đổi thời gian trễ,N/O / N/C chức năng của các đầu ra Ứng dụng chính của EDS 300 là đo áp suất và để đóng mở ở áp suất xác định có thể rất lớn thay đổi trạng thái dưới tác động của áp suất và làm viêc theo kiểu cơ khí Các thiết bị này có thể làm tiêu chuẩn cho việc thiết kế các mạch và thiết bị điều khiển CÁC TINH NĂNG: 28 Nguyễn Minh Hằng - Dùng để thiết kế các cảm biến. .. a Cấu tạo MUX - Đầu vào địa chỉ (A): Address - Đầu vào dữ liệu (D): Data - Đầu vào cho phép ( C ): Clock - Xung đồng bộ - Đầu ra: Q sẽ được đóng vào các tín hiệu đầu vào theo 2 phương án: + Theo một chương trình quét cho trước: D0,D1,… + Đầu ra Q được đóng vào chân dữ liệu đầu vào Di nào đó nếu như tương ứng với địa chỉ của nó Một Mux có n chân địa chỉ bao giờ cũng có 2^n chân dữ liệu A0 C Q X X 0 0... hệ thống này các kênh được chuyển từ song song thành nối tiếp để đưa vào một kênh thu thập duy nhất thông qua dồn kênh MUX 11 Nguyễn Minh Hằng - Ưu điểm: Tốn ít đường dây, sử dụng khi đo khoảng cách xa, giá thành rẻ hơn, đơn giản - Nhược điểm: Độ tin cậy thấp vì nếu hỏng một kênh thì coi như hỏng toàn bộ hệ thống c, Sơ đồ có các kênh thu thập dữ liệu song song-nối tiếp Trong hệ thống này các kênh thu. .. rồi đưa vào bộ vi xử lý, tại đây tín hiệu được gia công, tính toán sẽ truyền tới máy tính hoặc qua bộ phân kênh DEMUX đưa tín hiệu thu thập được đến bộ điều khiển, màn hình LCD… MUX1 S 1 CĐ CH1 BĐK 1 S 2 S n ĐTCN MUX nhóm S n µP DEMUX n LCD MT S 1 S 2 A/ D COM MUX CĐ CHm Truyền đi xa m 12 Nguyễn Minh Hằng Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc song song-nối tiếp của DAQ 1.2 Chọn phương án thiết kế hệ thống 1.2.1... Hằng Theo yêu cầu của đề bài ta chọn cảm biến đo nhiệt độ là E52MYCAccC 2.2 Cảm biến đo áp suất dải đo từ -0.1 đến 32Mpa EDS 300 ỨNG DỤNG: EDS 300 là 1 công tắc, công tắc áp suất điện từ này sử dùng hiển thị dưới dạng số Có 4 kiểu đầu ra sẵn có:loại đầu ra có 1 tiếp điểm,2 tiếp điểm và 2 loại nay có thể đầu ra là tương tự.tín hiệu đầu ra 4÷20 mA tiếp điểm này và các điểm tương ứng có thể được điều khiển. .. thu thập dữ liệu được chia thành nhóm (còn gọi là Modul), mỗi nhóm chứa nhiều kênh, số kênh trong mỗi nhóm được tính toán sao cho tối ưu nhất (tức là đảm bảo sai số nhỏ nhất) Từ đối tượng công nghiệp (ĐTCN), qua các sensor tín hiệu được đưa đến các MUX sơ cấp sau đó đến CĐCH và đến bộ đổi nối nhóm, MUX nhóm (thường là MUX điện tử) tín hiệu sau đó được đưa qua bộ chuyển đổi A/D thành tín hiệu số rồi đưa. .. 1.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống 1.2.2 Chức năng các khối trong sơ đồ a, Khối các sensor khối này làm nhiệm vụ thu thập trực tiếp các tín hiệu đo cụ thể là đo áp suất ,đo nồng độ ,dòng điện ,lưu lượng ,tốc độ quay và khối lượng của hệ thống b, Bộ chuyển đổi chuẩn hóa Bộ chuyển đổi chuyển hóa để hòa hợp giữa sensor và thiết bị đo cần thiết phải chuẩn hóa tín hiệu ra của sensor nghĩa là phải biến đổi chúng thành... A8 A9 C 0 C 1 C 2 C 3C Σ CHƯƠNG 2 : LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG 24 Nguyễn Minh Hằng 2.1 Cảm biến đo nhiệt độ dải đo từ 0oC đến 600oC(E52MY) - Cảm biến có độ tin cậy cao với giá cả hợp lý - Làm từ chất lượng cao, yếu tố sensing - Tuyệt vời với sự ổn định và độ chính xác cao - Thích hợp cho các phương tiện truyền thông ở nhiệt độ cao - Mỗi cảm biến omron đáp ứng của thủ tục kiểm tra nghiêm ngặt . I: Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển 1.1 Phương án thiết kế hệ thống Để thiết kế hệ thống thông tin đo lường giám sát hiển thị tại chỗ theo nhóm cảm biến và hiển thị trung. 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. 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 thu c rất nhiều vào dữ liệu thu thập được đưa về bộ điều khiển. Dữ liệu thu thập