Trang bị điện và truyền thông trong mô hình hệ thống hồi lưu nước nóng dân dụng

Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật để tăng năng suất lao động, tiết kiệm chi phí, năng lượng và đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của con người là rất cần thiết, bên cạnh đó khoa học kĩ thu

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các thầy cô giáo trong trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông – Đại học Thái Nguyên nói chung và các thầy cô giáo trong Khoa Công nghệ Tự động hóa nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian qua

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn tới ThS ĐỖ THỊ MAI, cô đã tận tình giúp đỡ,

trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp Trong quá trình làm việc với cô, em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là những điều rất cần thiết cho em trong quá trình học tập và làm việc sau này

Sau cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã động viên, góp ý, giúp

đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đồ án tốt nghiệp

Do thời gian hoàn thành đồ án có giới hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót nên em rất mong được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn để đồ án tốt nghiệp của em được hoàn thiện hơn

Thái Nguyên, tháng 6 năm 2016

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Thảo

LỜI CAM ĐOAN

Em – Nguyễn Thị Thảo - cam kết ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP là công trình nghiên

cứu của bản thân em dưới sự hướng dẫn của ThS ĐỖ THỊ MAI.

Các kết quả nêu trong ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP là trung thực, không sao chép toàn văn của bất kỳ công trình nào khác, nếu sai em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật của nhà trường

Thái Nguyên, tháng 6 năm 2016

Người cam đoan

Nguyễn Thị Thảo

1.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu SCADA

2

1.1.1 Khái quát chung về SCADA 2

1.1.2 Sự phân cấp quản lý của hệ thống SCADA 5

1.1.3 Phần cứng hệ thống SCADA 5

1.1.4 Phần mềm hệ thống SCADA 6

1.1.5 Truyền tin trong hệ SCADA 7

1.2 Thiết bị điều khiển cấp trường 8

1.2.1 Cảm biến 8

1.2.2 Cơ cấu chấp hành 14

1.3 Thiết bị cấp điều khiển17

1.4 Thiết bị cấp giám sát 21

CHƯƠNG 2: TRANG BỊ ĐIỆN VÀ TRUYỀN THÔNG CHO MÔ HÌNH HỆ

2.1 Hệ thống hồi lưu nước nóng dân dụng 23

2.2.1 Phân tích yêu cầu trang bị điện cho mô hình hồi lưu nước nóng dân dụng28

2.2.2 Lựa chọn thiết bị 28

2.3 Thiết kế mô hình mach điện cho hệ thống mô hình hồi lưu nước nóng dân dụng 42

2.3.1 Sơ đồ cung cấp điện cho toàn bộ hệ thống 42

2.3.2 Sơ đồ đấu nối chi tiết 43

2.3.3 Sơ đồ kết nối thiết bị hệ thống hồi lưu nước nóng 47

2.3.4 Mạng Ethernet 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống SCADA 2

Hình 1.2 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển và giám sát 5Hình 1.3 Cấu trúc phần mềm hệ thống điều khiển và giám sát SCADA 7Hình 1.4 Cấu tạo của cặp nhiệt điện 9

Hình 1.5 Cặp nhiệt điện 9

Hình 1.6 Cấu tạo của nhiệt điện trở RTD10

Hình 1.7 Cảm biến nhiệt điện trở RTD 10

Hình 1.8 Cấu tạo bán dẫn 10

Hình 1.9 Sơ đồ đo mức theo phương pháp thủy tĩnh 11

Hình 1.10 Cảm biến độ dẫn 13

Hình 1.11 Cảm biến đo mức bằng tia bức xạ 14

Hình 1.13 Cấu trúc bộ điều khiển PLC 18

Hình 1.14 Ghép nối vào/ra với PLC 18

Hình 1.15 Hệ thống điều khiển sử dụng PLC 19

Hình 1.16 Mối quan hệ giữa các ngôn ngữ lập trình PLC 20

Hình 2.1 Sơ đồ điều khiển hệ thống hồi nước nóng nhiều trục 24

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống 25

Hình 2.3: Sơ đồ khối của hệ thống26

Hình 2.4 Mô hình hồi lưu nước nóng dân dụng 28

Hình 2.5 Hình ảnh dây may-so 28

Hình 2.6 Relay trung gian 29

Hình 2.7 Sơ đồ khối Relay trung gian 30

Hình 2.8 Cảm biến đo nhiệt độ NTC-MF58 31

Hình 2.9 Mạch cấp tín hiệu dạng điện áp (V) analog cho PLC hoặc MCU xử lý

31

Hình 2.10 Van điện một chiều 33

Hình 2.11 Cấu tạo của van33

Hình 2.22 Sơ đồ kết nối giữa PC-PLC 47

Hình 2.23 Tiết diện ngang cáp STP 48

Hình 2.24 Cáp đôi dây xoắn STP 48

Hình 2.25 Giao thức UART 48

Hình 2.26 Mã hóa bit Manchester II 49

Hình 2.27 Hộp thoại “Add new device” 50

Hình 2.28 Cổng mạng Ethernet 50

Hình 2.29 Gán địa chỉ IP cho CPU 51

Hình 2.30 Gán địa chỉ cho PC 51

Hình 2.31 Kết nối giữa PC-PLC 52

Hình 2.32 Kết nối giữa PLC-HMI52

Hình 2.33 Kết nối mạng trực tuyến của hệ thống 53Hình 2.34 Hộp thoại “Accessible device” 53

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Các thông số kĩ thuật của dây may-so 29

Bảng 2.2: Các thông số kỹ thuật của relay trung gian 29

Bảng 2.3: So sánh các thiết bị cảm biến đo nhiệt độ 30

Bảng 2.4: Các thông số kỹ thuật của cảm biến đo nhiệt độ NTC-MF58 31Bảng 2.5: Bảng giá trị tương ứng RT của cảm biến NTC-MF58 32

Bảng 2.6: Các thông số kỹ thuật của van điện từ33

Bảng 2.7: Các thông số kỹ thuật của động cơ bơm 40

Bảng 2.8: Các thông số kỹ thuật của cảm biến phao 41

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay khoa học kĩ thuật phát triển rất mạnh mẽ và được ứng dụng trong tất

cả các lĩnh vực của cuộc sống Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật để tăng năng suất lao động, tiết kiệm chi phí, năng lượng và đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của con người là rất cần thiết, bên cạnh đó khoa học kĩ thuật cũng được ứng dụng rất lớn trong cuộc sống hàng ngày cũng như trong công nghiệp sản xuất và quân sự…Đặc biệt trong công nghiệp, khoa học kỹ thuật ngày càng được phát triển mạnh mẽ như: Hệ thống cảm biến, hệ thống chuyển động linh hoạt, hệ thống điều khiển thông minh…

Xuất phát từ tình hình thực tế việc sử dụng nước nóng trong các tòa nhà cao tầng, các khách sạn vừa và nhỏ, em đã nghiên cứu và thực hiện đề tài: “Trang bị

điện và truyền thông trong mô hình hệ thống hồi lưu nước nóng dân dụng”

Đây chỉ là một phần trong việc xây dựng hệ thống nước nóng dân dụng , tuy vậy

em mong rằng với đề tài này em sẽ củng cố được kiến thức đã học được trong trường và ứng dụng trong sản xuất

Trong thời gian thực hiện đồ án do thời gian làm có hạn và kiến thức của bản thân còn hạn chế, nhưng với sự nỗ của bản thân, cùng với sự hướng dẫn tận tình của Cô giáo hướng dẫn, sự giúp đỡ nhiệt tình của bạn bè, em đã hoàn thành được

cơ bản các yêu cầu đặt ra của đồ án

Trong đồ án không tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy em rất mong nhận được sự góp

ý, chỉ bảo của các thầy, cô giáo để có thể hoàn thành đồ án này với kết quả tốt hơn nữa

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn Cô giáo hướng dẫn: Th.S Đỗ Thị Mai,

cùng các thầy cô giáo trong bộ môn và các bạn bè đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này

Thái nguyên, tháng 6 năm 2016

Nguyễn Thị Thảo

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu SCADA 1.1.1 Khái quát chung về SCADA

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition): Là một hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu, nói cách khác là một hệ thống hỗ trợ con người trong việc giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thông thường Để có thể điều khiển và giám sát từ xa thì hệ thống SCADA phải có hệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng như hệ giao diện người – máy (HMI –Human Machine Interface)

Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống SCADA

Trong hệ thống điều khiển giám sát thì HMI là một thành phần quan trọng không chỉ ở cấp điều khiển, giám sát mà ở các cấp thấp hơn người ta cũng cần giao diện người – máy để phục vụ cho việc quan sát và thao tác vận hành ở cấp điều

khiển cục bộ Vì lý do giá thành, đặc điểm kỹ thuật nên các màn hình vận hành (OP – Operator Panel), màn hình sờ (TP – Touch Panel), Multi Panel … chuyên dụng được sử dụng nhiều và chiếm vai trò quan trọng hơn.

Nếu nhìn nhận SCADA theo quan điểm truyền thống thì nó là một hệ thống mạng và thiết bị có nhiệm vụ thuần túy là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyền tải về khu trung tâm để xử lý Trong các hệ thống như vậy thì hệ truyền thông và phần cứng được đặt lên hằng đầu và cần sự quan tâm nhiều hơn Trong những năm gần đây sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ truyền thông công nghiệp

và công nghệ phần mềm trong công nghiệp đã đem lại nhiều khả năng và giải pháp mới nên trọng tâm của công việc thiết kế xây dựng hệ thống SCADA là lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và các giải pháp tích hợp hệ thống

1.1.1.1 Chức năng và vai trò của SCADA

Mỗi hệ thống sản xuất công nghiệp thường được tổ chức theo nhiều cấp quản lý Mỗi cấp có nhiệm vụ đo lường, thu thập và điều khiển giám sát riêng lên từng đối tượng cụ thể của hệ thống Chính vì thế SCADA cho một hệ thống sản xuất công nghiệp cũng được phân ra từng cấp SCADA cụ thể, tùy vào quy mô của từng cấp mà

có những yêu cầu cụ thể khác nhau song nói chung mỗi cấp SCADA là phải thực hiện những dịch vụ sau:

 Thu thập số liệu từ xa ( qua đường truyền số liệu) các số liệu về sản xuất và

tổ chức việc lưu trữ trong nhiều loại cơ sở số liệu (số liệu về lịch sử sản xuất, về sự kiện thao tác, về báo động …)

 Điều khiển và giám sát hệ sản xuất trên cơ sở các dữ liệu đã thu thập được

 Thực hiện công tác truyền thông số liệu trong và ra ngoài hệ ( đọc/ viết số liệu PLC/ RTU ( thiết bị đầu cuối điều khiển từ xa), trả lời các bản tin yêu cầu từ cấp trên về số liệu, về thao tác hệ)

 Nhìn chung SCADA là một sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm theo một phương thức truyền thông nào đó để tự động hóa việc quản lý giám sát, điều khiển cho một đối tượng công nghiệp Và ta nhận thấy rằng xu thế tự động hóa là

một xu thế không thể tránh khỏi do vậy việc áp dụng bài toán SCADA là một việc làm tất yếu nếu chúng ta không muốn tụt hậu trong sản xuất Vai trò của nó là rất

rõ ràng, SCADA giúp ta thu thập rất chính xác về hệ thống từ đó có thể đưa ra các quyết định đúng đắn về hệ, đồng thời ta cũng dễ dàng trong công tác điều khiển và

ra quyết định Việc làm này sẽ giảm đáng kể việc chi phí về vấn đề nhân lực, về vận hành, góp phần đáng kể trong việc giảm giá thành sản phẩm, tăng sức cạnh tranh

1.1.1.2 Nguyên lý hoạt động của SCADA

a Cơ chế thu thập dữ liệu

Trong hệ SCADA, quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện trước tiên ở quá trình các RTU quét thông tin có được từ các thiết bị chấp hành nối với chúng Thời gian để thực thi nhiệm vụ này được gọi là thời gian quét bên trong Các máy chủ quét các RTU (với tốc độ chậm hơn) để thu thập dữ liệu từ các RTU này

Để điều khiển, các máy chủ sẽ gửi tín hiệu yêu cầu xuống các RTU, từ đó cho phép các RTU gửi tín hiệu điều khiển trực tiếp xuống các thiết bị chấp hành thực thi nhiệm vụ

Trong trường hợp dữ liệu của hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian, hệ SCADA thường hiển thị quá trình thay đổi dữ liệu này trên màn hình giao diện đồ họa (GUI) dưới dạng đồ thị

Một ưu điểm lớn của hệ SCADA là khả năng xử lý lỗi rất thành công khi hệ

thống xảy ra sựu cố Nhìn chung, khi có sự cố hệ SCADA có thể lựa chọn một trong các cách xử lý sau:

Sử dụng dữ liệu cất giữ trong các RTU: trong các hệ SCADA có các RTU có dung lượng bộ nhớ lớn, khi hệ thống hoạt động ổn định dữ liệu sẽ được sao lưu vào trong bộ nhớ của RTU Do đó, khi xảy ra lỗi thì các RTU sẽ sử dụng tạm dữ liệu này cho đến khi hệ thống hoạt động trở lại bình thường

Sử dụng các phần cứng dự phòng của hệ thống: hầu hết các hệ SCADA đều được thiết kế thêm các bộ phận dự phòng, ví dụ như hệ thống truyền thông hai đường truyền, các RTU đôi hoặc hai máy chủ… do vậy, các bộ phận dự phòng này

sẽ được đưa vào sử dụng khi hệ SCADA có sự cố hoặc hoạt động offline (có thể cho mục đích bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra …)

c Nguyên lý hoạt động.

Khi các thiết bị đang vận hành vi phạm các giới hạn cho phép của các thông

số kỹ thuật hoặc bị sự cố, hệ thống tự động đưa ra các tín hiệu cảnh báo dạng chuông, còi, hiển thị nội dung cảnh báo bằng những dòng lệnh theo màu sắc và nhấp nháy, điều này giúp cho các kỹ sư điều hành hệ thống có những hành động ứng xử kịp thời để đưa các thiết bị trở lại trạng thái vận hành bình thường hoặc đưa các thiết bị dự phòng vào hoạt động thay thế nhằm đảm bảo cho hệ thống vẫn làm việc ở trạng thái ổn định và kinh tế Tất cả các sự kiện xảy ra đối với các thiết bị trên hệ thống, các chế độ vận hành hệ thống đều được lưu trữ động theo trật tự thời gian, có độ chính xác đến từng mili giây (ms), có thể truy xuất khi cần thiết dưới dạng các bảng biểu, đồ thị giúp cho quá trình xử lý và phân tích sự cố được chính xác

1.1.2 Sự phân cấp quản lý của hệ thống SCADA

Việc giám sát, thu thập số liệu và điều khiển là rất cần thiết đối với một hệ thống công nghiệp bất kỳ Việc sử dụng một hệ thống điều khiển trung tâm để đảm nhiệm tất cả các chức năng giám sát và điều khiển hết sức phức tạp Chính vì vậy, tùy theo mức độ quan trọng và yêu cầu những tính năng giám sát, điều khiển mà

các chức năng giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu được phân phối và phân cấp cho các thiết bị khác nhau.

Hình 1.2 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển và giám sát

1.1.3 Phần cứng hệ thống SCADA

Một hệ thống SCADA bao gồm một số các thiết bị đầu cuối RTUs ( Remote Termote Terminal Units) làm nhiệm vụ thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu quay trở lại

trạm chủ thông qua một hệ thống truyền thông Trạm chủ hiển thị các dữ liệu thu được và cho phép người vận hành thực hiện các nhiệm vụ điều khiển từ xa.

Các dữ liệu chính xác và kịp thời cho phép tối ưu hóa các hoạt động nhà máy và quá trình Lợi ích khác của hệ thống SCADA là hiệu quả hơn, độ tin cậy cao, chi phí thấp và quan trọng nhất là an toàn hơn trong hoạt động

Một hệ thống SCADA phức tạp có năm cấp độ cơ bản sau:

- Thiết bị đo và thiết bị điều khiển

- Trạm đầu cuối và thiết bị đầu cuối RTU

hệ thống này là sự phụ thuộc quá nhiều vào các nhà cung cấp hệ thống Vì vậy các phần mềm mở được sử dụng phổ biến hơn vì khả năng tương tác của họ mang lại cho hệ thống Thường các phần mềm mở có khả năng trộn các nhà sản xuất thiết bị khác nhau trên cùng một hệ thống

Citect và WonderWare chỉ là hai trong số những gói phần mềm mở sẵn trên thị trường cho các hệ thống SCADA Một số gói phần mềm hiện nay bao gồm cả quản

lý tài sản tích hợp trong hệ thống SCADA

Phần mềm SCADA sẽ bao gồm những phần chính sau:

- Giao diện người sử dụng

- Quá trình phân phối máy chủ/ khách.

Hình 1.3 Cấu trúc phần mềm hệ thống điều khiển và giám sát SCADA

1.1.5 Truyền tin trong hệ SCADA

Ngoài việc sử dụng các máy tính công nghiệp, các server, thiết bị mạng … ở phòng theo dõi trung tâm Một bộ phận không thể thiếu được trong hệ SCADA là

hệ thống truyền tin Nó liên quan đến tính ổn định và sự chính xác của hệ thống

Vì vậy, một hệ truyền tin được chọn trong hệ SCADA phải thỏa mãn các tiêu chuẩn như: giải tốc độ truyền, giao thức truyền thông, truyền đồng bộ hay dị bộ, khoảng cách địa lý … Hệ thống truyền tin được chọn phải tương thích với thiết bị trường và máy chủ Server Một số thiết bị có thể sử dụng được để truyền dữ liệu trong hệ SCADA như sau: Modem RDT (Radio Data Technology) của Anh quốc

có các loại truyền sóng Radio, vô tuyến, các thiết bị thu phát sóng của Motorola, các bộ RTU, GPS Tùy theo mô hình, tùy theo phạm vituwngf hệ SCADA mà ta áp dụng từng loại thiết bị trên sẽ phát huy hết tính năng tác dụng của nó.

Hệ thống SCADA cấp quốc gia và miền dùng các RTU được thiết kế đặc biệt Ngoài ra, với nhiều hệ SCADA dùng PLC dùng thủ tục truyền tin là Profibus

- Truyền tin hiện trường:

Việc truyền tin hiện trường nhằm đảm bảo việc máy chủ thường xuyên thông tin với các PLC hay RTU

Các thông tin được thống nhất theo kiểu:

+ Máy chủ gửi từ một bảng tin từng lệnh đến PLC hay RTU trên bus mutidros.+ PLC hay RTU liên quan thực hiện mỗi lệnh đó và gửi tin trả lời kết quả

Các bản tin do máy chủ gửi đi thường là lệnh read các loại số liệu của PLC hay RTU và một vài lệnh write một số hệ số gán địa chỉ hay đơn vị cho các số đó.Các bản tin tức thời thường được gửi về các số lượng trạng thái đo của PLC hay RTU hay báo cáo có tình trạng có sai trong bản tin nhận được

1.2 Thiết bị điều khiển cấp trường

1.2.1 Cảm biến

1.2.1.1 Khái niệm và ứng dụng các loại cảm biến

Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vât lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý được.Các đại lượng cần đo (m) thường không có tính chất điện ( như nhiệt độ, áp suất…

) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện ( như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng ) chứ đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m):

s = F(m)Người ta gọi (s) là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, (m) là đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo) Thông qua đo đạc(s) cho phép nhận biết giá trị của (m)

1.2.1.2 Các loại cảm biến

a Cảm biến nhiệt độ

Khái niệm cơ bản về nhiệt độ: nhiệt độ là một trong những đại lượng có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất vật chất Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp cũng như trong đời sống hằng ngày việc đo nhiệt độ là rất cần thiết Tuy nhiên việc xác định chính xác một nhiệt độ là một vấn đề không đươn giản

Đa số các đại lượng vật lý đều có thể xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ

 Cặp nhiệt điện (Themocouple)

Hình 1.4 Cấu tạo của cặp nhiệt điện

Hình 1.5 Cặp nhiệt điện

- Cấu tạo: Gồm 2 chất kim loại khác nhau, hàn dính một đầu

- Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi (mV)

- Ưu điểm bền, đo nhiệt độ cao

- Nhược điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy không cao

- Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắc nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…

 Nhiệt điện trở (RTD - Resitance Temperature Detector)

Hình 1.6 Cấu tạo của nhiệt điện trở RTD

Hình 1.7 Cảm biến nhiệt điện trở RTD

Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: đồng, nikel, platinum,… được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định Phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt được làm từ Platinum Platinum có điện trở suất cao, chống oxi hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000 ohm Điện trở càng cao thì độ nhạy càng cao

RTD có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây

 Bán dẫn

Hình 1.8 Cấu tạo bán dẫn

- Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn

- Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ

- Ưu điểm: Rẻ tiền, dề chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản

- Nhược điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền

- Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng các thiết bị đo, bảo vệ mạch điện tử

- Tầm đo: -50 ->150°C

Cảm biến nhiệt bán dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chất bán dẫn Có các loại như diode, transistor, IC Nguyên lý của chúng là dựa trên mức độ phân cực của các lớp P- N tuyến tính với nhiệt độ môi trường Ngày nay cùng với

sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rất nhiều loại cảm biến nhiệt với sự tích hợp của nhiều ưu điểm: độ chính xác cao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẻ tiền…

Ta dễ dàng bắt gặp các cảm biến loại này dưới dạng diode (hình dáng tương tự Pt100), các loại IC như: LM35, LM335, LM45 Nguyên lý của chúng là nhiệt độ thay đổi sẽ cho ra điện áp thay đổi Điện áp này được phân áp từ một điện áp chuẩn

Có hai dạng đo: đo liên tục và xác định theo ngưỡng

- Khi đo liên tục biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo cho biết thể tích chất lưu còn lại trong bình chứa Khi xác định theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín hiệu dạng nhị phân cho biết thông tin về tình trạng hiện tại mức ngưỡng có đạt hay không

- Có ba phương pháp hay dùng trong kỹ thuật đo và phát hiện mức chất lưu:

+ Phương pháp thủy tĩnh dùng biến đổi điện.

+ Phương pháp điện dựa trên tính chất điện của chất lưu

+ Phương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác giữa bức xạ và chất lưu

 Phương pháp thủy tĩnh

Phương pháp thủy tĩnh dùng để đo mức chất lỏng bình chứa

Hình 1.9 Sơ đồ đo mức theo phương pháp thủy tĩnh a) Dùng phao cầu b) Dùng phao trụ c) Dùng cảm biến áp suất vi sai

Trong sơ đồ hình 1.9a phao (1) nổi trên mặt chất lưu được nối với đối trọng (5) bằng dây mềm (2) qua các ròng rọc (3), (4) Khi mức chất lưu thay đổi phao (1) nâng lên hoặc hạ xuống làm quay ròng rọc (4), một cảm biến vị trí gắn với trục quay của ròng rọc sẽ cho tín hiệu tỉ lệ với mức chất lưu

Trong sơ đồ 1.9b, phao hình trụ (1) nhúng chìm trong chất lưu, phía trên được đeo bởi một cảm biến đo lực (2) Trong quá trình đo, cảm biến chịu tác động của một lực tỉ lệ với chiều cao chất lưu:

F= P-ρgShTrong đó:

P – trọng lượng phao

h - chiều cao phần ngập trong chất lưu của phao

S – tiết diện mặt cắt ngang của phao

ρ – khối lượng riêng của chất lưu

g - gia tốc trọng trườngTrên sơ đồ 1.9c, sử dụng một cảm biến áp suất vi sai dạng màng (1) đặt sát đáy

bình chứa Một mặt của màng cảm biến chịu áp suất chất lưu gây ra:

p = po +ρghMặt khác của màng cảm biến chịu tác động của áp suất po bằng áp suất ở đỉnh bình chứa Chênh lệch áp suất p-po sinh ra lực tác dụng lên màng của cảm biến làm nó biến dạng Biến dạng của màng tỉ lệ với chiều cao h của chất lưu trong bình chứa, đưuọc chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ các bộ biến đổi điện thích hợp

 Phương pháp điện

Các cảm biến đo mức bằng phương pháp điện hoạt động hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi trực tiếp biến thiên mức chất lỏng thành tín hiệu điện dựa vào tính chất điện của chất lưu Các cảm biến thường dùng là cảm biến độ dẫn và cảm biến điện dung

- Cảm biến độ dẫn

Các cảm biến này dùng để đo mức các chất lưu có tính dẫn điện ( độ dẫn điện ~50μS)

Hình 1.10 Cảm biến độ dẫn

 Cảm biến hai điện cực b)Cảm biến một điện cực c)Cảm biến phát hiện mức

Sơ đồ hình 1.10a gồm hai điện cực hình trụ nhúng trong chất lỏng dẫn điện

Trong chế độ đo liên tục, các điện cực được nối với nguồn nuôi xoay chiều ~10V (

để tránh hiện tượng phân cực của các điện cực) Dòng điện chạy qua các điện cực

có biên độ tỉ lệ với chiều dài với phần điện cực nhúng chìm trong chất lỏng

Sơ đồ 1.10b chỉ sử dụng một điện cực, điện cực thứ hai là bình chứa bằng kim loại

Sơ đồ cảm biến hình 1.10c dùng để phát hiện ngưỡng, gồm hai điện cực ngắn đặt theo phương ngang, điện cực còn lại nối với thành bình kim loại, vị trí mỗi điện cực ngắn ứng với một mức ngưỡng Khi mức chất lỏng đạt tới điện cực, dòng điện trong mạch thay đổi mạnh về biên độ

- Cảm biến tụ điện

Khi chất lỏng là chất cách điện, có thể tạo tụ điện bằng hai cực hình trụ nhúng trong chất lỏng hoặc một điện cực thứ hai là bình chứa nếu thành bình làm bằng kim loại Chất điện môi giữa hai điện cực chính là chất lỏng ở phần điện cực bị ngập và không khí ở phần không có chất lỏng Việc đo mức chất lưu được chuyển thành đo điện dung của tụ điện, điện dung này thay đổi theo mức chất lỏng trong bình chứa Điều kiện để áp dụng phương pháp này là hằng

số điện môi của chất lỏng phỉa lớn hơn đáng kể hằng số điện môi của không khí ( thường là gấp đôi)

Trong trường hợp chất lưu là chất dẫn điện, để tạo tụ điện người ta dùng một điện cực kim loại bên ngoài có phủ cách điện, lớp phủ đóng vai trò chất điện môi còn chất lưu đóng vai trò điện cực thứ hai

 Phương pháp bức xạ

Cảm biến bức xạ cho phép đo mức chất lưu mà không cần tiếp xúc với môi trường đo, ưu điểm này rất thích hợp khi đo mức ở điều kiện môi trường đo có nhiệt độ, áp suất cao hoặc môi trường có tính ăn mòn mạnh

Hình 1.11 Cảm biến đo mức bằng tia bức xạ a) Cảm biến phát hiện ngưỡng b) Cảm biến đo mức liên tục 1) Nguồn phát tia bức xạ 2) Bộ thu 3) Chất lưu.

Trong phương pháp này cảm biến gồm một nguồn phát tia (1) và bộ thu (2) đặt

ở hai phía của bình chứa Nguồn phát thường là một nguồn bức xạ tia γ và bộ thu

là một buồng ion hóa

Ở chế độ phát hiện mức ngưỡng (hình 1.11a) nguồn phát và bộ thu đặt đối diện nhau ở vị trí ngang mức ngưỡng cần phát hiện, chùm tia của nguồn phát mảnh và gần như song song Tùy thuộc vào mức chất lưu (3) cao hơn hay thấp hơn mức ngưỡng mà chùm tia đến bộ thu sẽ bị suy giảm hoặc không, bộ thu sẽ phát ra tín hiệu tương ứng với các trạng thái so với mức ngưỡng

Ở chế độ đo mức liên tục (hình 1.11b), nguồn phát (1) phát ra chùm tia với một góc mở rộng quét lên toàn bộ chiều cao của mức chất lưu cần kiểm tra và

bộ thu

Khi mức chất lưu (3) tăng do sự hấp thụ của chất lưu tăng, chùm tia đến bộ thu (2) sẽ bị suy giảm, do đó tín hiệu từ bộ thu giảm theo Mức độ suy giảm của chùm tia bức xạ tỉ lệ với mức chất lưu trong bình chứa

1.2.2 Cơ cấu chấp hành

Cơ cấu chấp hành là các thiết bị điện (thường nằm trong hệ thống tự động điều

khiển, điều chỉnh…) làm nhiệm vụ tạo ra một tác động nào đó (thường là cơ học) dưới sự điều khiển của trung tâm như: van điện từ, động cơ …

1.2.2.1 Van

a Vai trò

Van là thiết bị để điều khiển hoặc điều chỉnh việc khởi hành, dừng lại và chiều dòng, cũng như áp suất hay dòng chảy (lưu lượng) của môi chất được cung cấp từ bơm hoặc chứa trong bình chứa

+ Van hai ngả kết cấu khối

- Van phân phối: Van phân phối được phân biệt theo chức năng là van phân

phối không tiết lưu và van phân phối tiết lưu Loại thứ nhất chỉ dùng để điều khiển khởi hành, dừng lại và điều khiển chiều dòng dầu, còn loại thứ hai có thêm các

phương án khuếch đại lưu lượng Chúng cho phép thay đổi vô cấp số lượng bất

kỳ các vị trí trung gian giữa hai vị trí đầu và cuối của hành trình

- Van chặn: Van chặn có tác dụng chặn dòng dầu theo một hướng và cho lưu

thông dòng dầu theo hướng ngược lại Các phần tử chặn được sử dụng là bi cầu

hoặc đầu côn để tạo thành van đế tựa Hiện có các loại van chặn dưới đây:

+ Van chặn dòng đơn giản

+ Van chặn dòng khử chặn được

+ Van chặn dòng tiết lưu

- Van áp suất: Như đã biết, công suất thuỷ lực P = p.Q có thể thay đổi được nhờ

thay đổi lưu lượng Q hoặc thay đổi áp suất p Để điều khiển lưu lượng có thể dùng van phân phối, để điều khiển áp suất có thể dùng van áp suất

- Van dòng: Van dòng được phân ra thành:

+ Van tiết lưu

- Ứng dụng trong thiết bị thủy: Trong những thiết bị thủy, nơi mà hoạt động trong môi trường nước, chính vì vậy có độ nguy hiểm cao, người ta thường dùng

để điều chỉnh áp suất tránh những áp suất của nước và của không khí vượt quá mức cho phép nhằm tránh gây hại và nguy hiểm đến người dùng như các thiết bị

trong ống dẫn dầu, ống dẫn nhiên liệu cho tàu thủy, ống dẫn nước cho tàu thủy….

- Ứng dụng trong nhành chế biến thực phẩm

- Ứng dụng đa dạng trong những nghành khác: Ngoài ra chúng còn được người

ta dùng trong một số thành phần thiết yếu trong các máy móc khai khoáng, hay trong nghành dầu khi, kể cả trong lĩnh vực y học và hàng không

1.2.2.2 Bơm

a Vai trò

Bơm thủy lực có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng thủy lực và ngược lai động cơ thủy lực chuyển đổi năng lượng thủy lực đưa đến từ bơm thành năng lượng cơ học cung cấp cho các phụ tải chuyển động quay

b Phân loại

Theo hoạt động cơ bản có thể phân loại bơm và động cơ thủy lực thành hai dạng thay đổi được thể tích làm việc và không thay đổi được thể tích làm việc

Hình 1.12 Dấu hiệu hoạt động và ký hiệu của bơm

 Thể tích làm việc không đổ.i

 Thể tích làm việc thay đổi.

 Một chiều dòng.

 Hai chiều dòng.

c Ứng dụng

- Trong nông nghiệp: là thiết bị thực hiện thủy lợi hóa chăn nuôi trồng trọt

- Trong công nghiệp: bơm sử dụng trong các công trình khai thác mỏ, quạng dầu hay các công trình xây dựng

- Trong kỹ thuật vận chuyến: dùng bơm và đường ống dẫn để vận chuyển các

sản phẩm khai thác mỏ (quạng dầu), hóa chất, nguyên vạt liệu xây dựng

- Trong ngành chế tạo máy, bơm được sử dụng phổ biến, nó là một trong những

bộ phận chủ yếu của hệ thống điều khiển và truyền động thủy lực trong máy

1.3 Thiết bị cấp điều khiển

Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các bộ cảm biến, xử lý các thông tin theo thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống các chấp hành Khi còn điều khiển thủ công, nhiệm vụ đó được người đứng máy trực tiếp đảm nhận qua việc theo dõi các công cụ đo lường, sử dụng kiến thức và kinh nghiệm để thực hiện những thao tác cần thiết như ấn nút đóng/ mở van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay … Đặc tính nổi bật của cấp điều khiển là xử lý thông tin Cấp điều khiển và cấp chấp hành hay được gọi chung là cấp trường ( Field Lever) vì các bộ điều khiển, cảm biến và chấp hành được cài đặt trực tiếp tại hiện trường gần

kề với hệ thống kỹ thuật

a Tổng quan về thiết bị logic khả trình (PLC)

Hình thành từ nhóm kĩ sư hãng General Motors năm 1968 với ý tưởng ban đầu

là thiết kế một bộ điều khiển thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu

- Dễ dàng sửa đổi thay thế

- Ổn định trong môi trường công nghiệp

- Giá cả cạnh tranh

Thiết bị điều khiển logic khả lập trình (PLC : Programmable Logic Control) là loại thiểt bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc thực hiện thuật toán đó bằng mạch số

Tương tự một mạch số:

Như vậy, với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành bộ điều khiển

số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hoặc với máy tính) Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu nhớ trong bộ nhớ PLC dưới dạng các khối chương trình (khối OB,

FC hoặc FB) và thực hiện lặp theo chu kỳ của vòng quét

Hình 1.13 Cấu trúc bộ điều khiển PLC

Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, PLC phải có tính năng

như một máy tính, nghĩa là phải có CPU, một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và các cổng vào/ra để giao tiếp với các đối tượng điều khiển và trao đổi với môi trường xung quanh Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC cần phải có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (counter), bộ định thì (timer) và những khối hàm chuyên dụng.

Hình 1.14 Ghép nối vào/ra với PLC

Hình 1.15 Hệ thống điều khiển sử dụng PLC Các ưu điểm khi sử dụng hệ thống điều khiển PLC:

- Không cần đấu dây cho sơ đồ điều khiển logic như kiểu dùng rơ le

- Có độ mềm dẻo cao, khi chỉ cần thay đổi chương trình (phần mềm) điều khiển

- Chiếm vị trí không gian nhỏ trong hệ thống

- Nhiều chức năng điều khiển

- Tốc độ cao

- Công suất tiêu thụ nhỏ

- Không cần quan tâm nhiều về vấn đề lắp đặt

- Có khả năng mở rộng số lượng đầu vào/ra khi nối thêm các khối vào/ra chức năng

- Tạo khả năng mở ra các lĩnh vực áp dụng mới

- Giá thành không cao

Chính nhờ những ưu thế đó, PLC hiện nay được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động, cho phép nâng cao năng suất sản xuất, chất lượng và sự đồng nhất sản phẩm, tăng hiệu suất, giảm năng lượng tiêu tốn, tăng mức an toàn, tiện nghi và thoải mái trong lao động.

b Phân loại PLC

Các PLC được phân loại theo 2 cách:

- Hãng sản xuất: gồm các nhãn hiệu như Siemens, Omron, Misubishi, Alenbratlay

- Version:

Ví dụ: PLC Siemens có các họ: Logo, S7-200, S7-300, S7-400

PLC Mishubishi có các họ: Fx, Fxo, FxON…

c Các tín hiệu kết nối với PLC

Các loại PLC nói chung thường có nhiều ngôn ngữ lập trình nhằm phục vụ các đối tượng sử dụng khác nhau

Ngôn ngữ “hình khối”, kí hiệu là FBD (Function Block Diagram): đây là ngôn ngữ đồ họa thích hợp cho người quen thiết kế mạch điều khiển số.

Ngoài ra còn có thể sử dụng ngôn ngữ Graph và High Graph Trong các ngôn ngữ trên thì thường sử dụng 3 ngôn ngữ là STL, LAD, FBD Mối quan hệ của 3 ngôn ngữ cho bởi sơ đồ sau:

Hình 1.16 Mối quan hệ giữa các ngôn ngữ lập trình PLC

Chương trình điều khiển PLC có thể viết theo 2 cách lập trình sau:

- Lập trình tuyến tính: toàn bộ chương trình nằm trong một khối trong bộ nhớ

Loại hình cấu trúc tuyến tính này phù hợp với những bài toán tự động nhỏ, không phức tạp Khối được chọn phải là khối OB1, là khối mà PLC luôn quét và thực

hiện các lệnh trong đó thường xuyên, từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng và quay lại lệnh đầu tiên.

- Lập trình có cấu trúc: Chương trình được chia thành những phần nhỏ và

mỗi phần thực hiện những nhiệm vụ chuyên biệt riêng của nó, từng phần này nằm trong những khối chương trình khác nhau Loại hình cấu trúc này phù hợp với những bài toán điều khiển nhiều nhiệm vụ và phức tạp PLC S7_200 có các loại khối cơ bản sau:

+ Loại khối OB1 (Organization Block): Khối tổ chức và quản lí chương

trình điều khiển Khối này luôn luôn được thực thi, và luôn được quét trong mỗi chu kì quét

+ Loại khối SBR (Khối chương trình con): Khối chương trình với những chức năng riêng giống như 1 chương trình con hoặc một hàm

 Yêu cầu về máy tính trong hệ thống SCADA

- Các máy vi tính sử dụng trong hệ thống SCADA phải đạt tiêu chuẩn cao cả về cấu hình và chất lượng, là máy tính đặc chủng được sản xuất riêng trong công nghiệp Hiện nay máy tính thường được sử dụng nhiều nhất là các dòng máy tính công nghiệp của Dell và HP

- Đối với các máy chủ ( Server) cần phải cài đặt hàng các máy chuyên dụng có khả năng xử lý và lưu trữ dữ liệu tốt nhất

- Để máy vi tính có thể làm việc trong một thời gian thì phải thực hiện bảo trì

thường xuyên Công việc bảo trì có thể làm hàng ngày, hàng tuần, hàng tháng hoặc kiểm tra hàng năm.

 Những yêu cầu chung về phần cứng:

- Máy tính PC dùng để thu thập và điều khiển phải mang tính phổ thông và có khả năng giao tiếp tốt với các hãng thiết bị phần cứng khác

- Có hệ điều hành đa nhiệm có khả năng mở rộng và giao tiếp dễ dàng với các phần mềm khác

 Những yêu cầu chung về phần mềm:

- Có khả năng tương thích với các giao thức ( Protocol) thông dụng

- Dễ dàng thiết kế và nâng cấp khi cần thiết

 Về dịch vụ SCADA

- Có khả năng thu thập, lưu trữ, sử dụng số liệu được ít nhất trong vòng một năm

- Cung cấp sự giao tiếp và giao diện dễ dàng cho người sử dụng và vận hành

- Dễ dàng cho người dùng hiển thị sơ đồ và đò thị trong giám sát cũng như in báo cáo

- Giúp thao tác điều khiển từ xa dễ dàng, tuy nhiên vẫn phải bảo đảm thoa tác điều khiển bằng tay

- Yêu cầu về giá thành và chi phí lắp đặt phải rẻ, hợp lý

 Giao diện giám sát HMI

HMI là từ viết tắt của Human-Machine-Interface, có nghĩa là thiết bị giao tiếp giữa người điều hành thiết kế với máy móc thiết bị.Nói một cách chính xác, bất cứ cách nào mà con người “giao diện” với một máy móc thì đó là một HMI Hệ thống

số điều khiển trên máy giặt, bảng hướng dẫn lựa chọn phần mềm hoạt động từ xa trên TV đều là HMI,…

- HMI chia làm 2 loại chính:

+ HMI trên nên PC và Windows/MAC: SCADA

+ HMI trên nên các máy tính nhúng: HMI chuyên dụng

Các ưu điểm của HMI:

+ Tính đầy đủ kịp thời và chính xác của thông tin

+ Tính mềm dẻo, dễ thay đổi bổ xung thông tin cần thiết

+ Tính đơn giản của hệ thống, dễ mở rộng, dễ vận hành và sửa chữa

CHƯƠNG 2: TRANG BỊ ĐIỆN VÀ TRUYỀN THÔNG CHO MÔ HÌNH HỆ

THỐNG HỒI LƯU NƯỚC NÓNG DÂN DỤNG 2.1 Hệ thống hồi lưu nước nóng dân dụng

2.1.1 Tổng quan

Kỹ thuật hồi nước trong hệ thống nước nóng: trong hệ thống nước nóng, khoảng cách từ bồn chứa nước nóng đến vòi sử dụng thường khá xa, nếu không sử dụng thường xuyên, nước trong ống sẽ nguội đi, vì thế khi cần sử dụng sẽ không có nước nóng dùng ngay mà phải chờ cho đến khi xả hết nước lạnh trong đường ống, việc này gây mất thời gian và lãng phí nước

Hồi nước là kỹ thuật tạo ra vòng tuần hoàn từ ống dẫn về bồn chứa trong hệ thống nước nóng nhằm đảm bảo nước trong ống luôn nóng ở nhiệt độ mong muốn

Sơ đồ hệ thống hồi nước: Để có thể thực hiện việc tuần hoàn nước, hệ thống nước nóng được đấu nối và lắp đặt như hình 2.1 Các van lắp cuối đường ống cấp dùng để chỉnh lưu nước qua các ống đều nhau, nếu hệ thống chỉ có 1 trục (1 ống) thì không cần dùng van