Tài liệu NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐO VÀ QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP pdf

1 NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐO VÀ QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP KS.Bùi Thị Thanh Quyên, KS.Phạm Ngọc Minh KS.Phan Minh Tân, PGS-TSKH.Phạm Thượng Cát Phòng Công nghệ Tự Động Hóa - Viện Công Nghệ Thông Tin Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam Tel. (84) -04- 8 363484, Fax: (84) -04- 8 363485 e-mail: ptcat@ioit.ncst.ac.vn Tóm tắt: Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của công nghiệp hoá, nhà nước ta cũng rất đặt biệt quan tâm tới vấn đề cảnh báo và bảo vệ môi trường nhất là trong các khu công nghiệp tập trung. Trong báo cáo này chúng tôi trình bày “Hệ thống đo và quan trắc môi trường xí nghiệp công nghiệp” được phát triển trên nền công nghệ mạng Ethernet để kiểm tra và cảnh báo các tham số môi trường không khí, nước và tiếng ồn ở các xí nghiệp công nghiệp. Hệ thống này có nhiều khả năng nổi trội như tốc độ xử lý nhanh, mở rộng cho nhiều điểm đo, các loại thông số và khu vực đo nhờ sử dụng công nghệ mạng Ethernet và các RTU đo xa. Hệ thống nhỏ gọn, tiêu tốn ít năng lượng, có độ bền hoạt động trong môi trường công nghiệp, giá cả cạnh tranh với thiết bị nhập ngoại. Hệ thống có khả năng ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy, xí nghiệp, các phân xưởng sản xuất tự động hoá… DEVELOPMENT OF AN ENVIRONMENTTAL MONITORING SYSTEM FOR INDUSTRIAL ENTERPRISES Abtract: Today, with the continous growing of industrialized and modelized processes, Vietnamese government is really interested in forcasting and protecting of environment, especially in industrial parks. In this report, we would like to introduce “An environment monitoring system for industrial enterprises”, which is developed based on Ethernet network technology to check and announce air-conditions, water and noise pollution in industrial enterprises. Our system has advantageous capabilities such as fast processing rate, opened for various measuring points, various parameters and locations by using Ethernet network technology and remote RTUs. The system is neat and tidy, low energy consumption, long-lasting lifetime in industrial environment, and cheaper than imported systems. Our system can be broadly used in factories, enterpries, automated manufacturing departments . 1. GIỚI THIỆU CHUNG Vấn đề cảnh báo và bảo vệ môi trường là vấn đề bức xúc được Nhà nước ta và thế giới quan tâm sâu sắc. Các xí nghiệp công nghiệp, nhất là các nhà máy hoá chất, nhà máy sản xuất phân hoá học là các cơ sở có thể gây ô nhiễm môi trường lớn và cần có hệ thống tự động đo cảnh báo môi trường nước, môi trường khí và tiếng ồn. Với sự phát triển của công nghệ thông tin các thiết bị đo lường và quan trắc môi trường phục vụ cho xí nghiệp công nghiệp, cho sản xuất, cho đời sống ngày càng thông minh hơn. Sự phát triển của các thế hệ đo đi lên từ thế hệ đo cơ khí, đo điện, đo điện tử vi mạch rời, đo sử dụng các vi xử lý cấp thấp đến thế hệ các thiết bị đo, đầu đo thông minh có các vi xử lý cấp cao, máy tính nhúng với các thuật đo xử lý hiện đại, có khả năng tự suy diễn, nhớ và kết nối mạng tốc độ cao. Các thiết bị hệ thống đo kiểm tra thông minh này bảo đảm kết quả đo chính xác, khử được nhiễu và khả năng phân tích xử lý tổng hợp số liệu phong phú, có nhiều chức năng mà các thế hệ thiết bị trước không tự động xử lý được. Sự phát triển của công nghệ thông tin đã đưa tốc độ truyền tin qua mạng Ethernet lên đến 10-100MB/s gấp hàng trăm lần tốc độ truyền qua cổng nối tiếp RS-232. Chúng tôi đã áp dụng công nghệ mạng Ethernet để xây dựng “Hệ thống đo và quan trắc môi trường xí nghiệp công nghiệp” để kiểm tra và cảnh báo kịp thời cho sản xuất, cho cuộc sống. Hệ thống này có nhiều khả năng xử lý mạnh, nhanh và mở rộng được các điểm đo, các loại thông số và khu vực đo nhờ sử dụng mạng Ethernet và các RTU đo xa. 2. HỆ THỐNG ĐO VÀ QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP. “Hệ thống đo và quan trắc môi trường xí nghiệp công nghiệp” gồm có các thiết bị đầu cuối đo xa RTU (Remote Terminal Unit) đo các giá trị ở các điểm đo xa, và truyền về máy tính xử lý trung tâm (Host) chạy chương trình EVIEW để tính toán, hiển thị, xử lý, cảnh báo, lưu trữ bằng chương trình phần mềm chạy trên Windows qua mạng ETHERNET. Hệ thống có khả năng trao đổi thông tin lớn với tốc độ cao. Thiết bị đầu cuối đo xa có khả năng tính toán các thuật xử lý thông minh, có độ bền hoạt động trong môi trường công nghiệp và kích thước gọn nhẹ, tiêu ít năng lượng, với giá cả cạnh tranh so với các thiết bị nhập ngoại. Chương trình giao diện kiểm soát trên máy chủ. 2 EVIEW có khả năng hội thoại, có nhiều công cụ trợ giúp và nhận dữ liệu của nhiều thiết bị RTU qua mạng Ethernet. Hệ thống có khả năng ứng dụng rất rộng trong các nhà máy, phòng thí nghiệm, các phân xưởng sản xuất tự động hoá. Hệ thống này bao gồm: - Thiết bị đầu cuối đo xa RTU (có thể nối 32 RTU vào hệ thống) có khả năng nối ghép trực tiếp với các đầu đo công nghiệp như: Đầu đo tiếng ồn (Datalogging Sound Level Meter - Model 407764), đầu đo nhiệt độ và độ ẩm THDP-1. - Khả năng xử lý tín hiệu mạnh và phần mềm xử lý tính toán có thể thay đổi, nạp lại từ xa qua mạng Ethernet tốc độ 10-100MHz. - Thiết bị đầu cuối đo xa RTU được chế tạo trên công nghệ nhúng PC/104, có dung lượng bộ nhớ RAM, bộ nhớ FLASH lớn và có khả năng kết nối mạng Ethernet với giao thức TCP/IP. - RTU sử dụng hệ điều hành DOS 6.2, có chương trình tạo môi trường và các chức năng TCP/IP trên DOS và thư viện các thuật điều khiển. - Chương trình giao diện kiểm soát trên máy chủ EVIEW có khả năng hội thoại và nhận dữ liệu của nhiều Thiết bị đầu cuối đo xa RTU cũng qua mạng Ethernet. Chương trình có giao diện thân thiện với người sử dụng, có chế độ báo động, lưu trữ . cho phép phát triển các ứng dụng toàn cục cũng như thay đổi chương trình xử lý cho từng Thiết bị đầu cuối đo xa RTU . - Phần mềm EVIEW được phát triển chạy trên máy PC có đủ các chức năng thu thập xử lý dữ liệu của các RTU từ xa. Ngoài ra, nó có thể thay đổi, nạp lại các chương trình xử lý tại chỗ của các RTU. - Các máy tính EVIEW cài hệ điều hành Win98 trở lên sử dụng giao thức TCP/IP. - Có thể nối 4 máy tính có cài EVIEW vào hệ thống. Sử dụng các ưu điểm trên của mạng Ethernet, chúng tôi xây dựng cấu hình phần cứng của “Hệ thống đo và kiểm soát môi trường tự động” như sau: 1. Sử dụng 1 HUB. 2. Sử dụng 2 HUB mắc nối tiếp 3. Sử dụng 1 HUB có nhiều EVIEW 1. Sử dụng 2 HUB mắc nối tiếp RTU1  x    ®Çu ®o RTU2  x    HUB 1 RTU3  x    ®Çu ®o RTUn  x    đầu đo HUB 2 2. Sử dụng 1 HUB có nhiều EVIEW RTU1  x    đầu đo RTUn  x    đầu đo HUB Ethernet Đầu đo dòng:4-20mA 8AI: 4-20mA . . . . . . 16AI: 0-10V 4rơ le: ~220V . . . 1- 30 ®iÓm/1200m RS-232 RS485 1 THDP-1 . . . Đầu đo tiếng ồn 30 . . . 4rơ le: ~220V 3 Để thông tin liên lạc giữa các máy trên mạng Ethernet được tin cậy, nhanh, mạnh, mềm dẻo, dễ phát triển và có khả năng kết nối vào mạng Internet thì việc lựa chọn hệ điều hành, lựa chọn giao thức truyền và xây dựng hệ thống phần mềm cho máy chủ (HOST) và thiết bị RTU như sau: + Hệ điều hành của máy chủ: Win98, Win2000, WinNT là các hệ Windows thông dụng có sẵn các giao thức TCP/IP chạy trên mạng Ethernet và có sẵn khả năng kết nối vào Internet. + Hệ điều hành của RTU: DOS6.2 Hệ điều hành cơ bản, rất ổn định, rất phù hợp với các máy tính nhỏ Pentium1 hoặc 386, chiếm ít bộ nhớ, rất phù hợp với thiết bị nhúng RTU không có bàn phím màn hình và có chế độ Watchdog. Tuy vậy hệ này không có sẵn giao thức TCP/IP nên chúng tôi phải tự xây dựng lấy. Chúng tôi đã tạo ra môi trường TCP/IP trên nền DOS và các hàm dưới dạng thư viện phần mềm, người sử dụng không cần phải tìm hiểu những rắc rối của giao thức TCP/IP. + Giao thức truyền TCP/IP: Đây là giao thức thường dùng nhất hiện nay để kết nối giữa các máy trên mạng cục bộ, kết nối với mạng khác hoặc kết nối với Internet. Sau đây chúng ta tìm hiểu kĩ hơn về giao thức này.  TCP/IP Để thông tin liên lạc giữa các máy người ta quy định một giao thức là TCP/IP đặc tả các chi tiết cách thức mà các máy tính liên lạc với nhau cũng như các quy ước cho các mạng nối với nhau và định tuyến giao thông. Nó cũng có thể dùng để liên kết mạng trong một công ty, một nhà máy, . không nhất thiết phải nối kết với các mạng khác bên ngoài. TCP: Giao thức điều khiển việc truyền (Transmission Control Protocol) là một giao thức thông tin liên lạc. Giao thức này đặc tả định dạng của dữ liệu và lời đáp (acknowledgement) mà hai máy tính trao đổi để đạt được việc truyền đáng tin cậy, cũng như là những thủ tục mà các máy tính sử dụng để đảm bảo rằng dữ liệu đến được một cách chính xác. Nó đặc tả cách mà phần mềm TCP phân biệt trong số các đích trên một máy cụ thể và cách mà các máy thông tin liên lạc với nhau để phục hồi các lỗi như mất gói dữ liệu hay gửi dữ liệu bị trùng lặp. Giao thức này cũng xác định cách mà hai máy tính khởi động qúa trình truyền stream TCP và cách mà chúng thống nhất với nhau khi nào thì hoàn tất việc truyền. TCP cung cấp cơ chế kiểm soát dòng dữ liệu, cho phép việc thông tin liên lạc giữa các hệ thống có tốc độ rất khác nhau. IP: Internet Protocol là một trong 2 giao thức chính được sử dụng trong giao thức TCP/IP. IP xác định những trừu tượng cấp cao như: địa chỉ IP, định dạng datagram và khái niệm về độ tin cậy, phát chuyển phi kết nối (connectionless) . IP mô tả một cách chính thức định dạng của các gói dữ liệu, gọi là datagram, và chuẩn bị việc phát chuyển. IP sử dụng các thông tin để chuyển dữ liệu đi, quyết định nơi nào gửi dữ liệu đến dựa vào địa chỉ IP đích của nó. Địa chỉ IP: Tất cả RTU đều sử dụng địa chỉ IP chuẩn bản 4 số. Địa chỉ IP là địa chỉ logic được gán cho 1 máy trên mạng riêng. Mỗi máy trên mạng TCP/IP đã được gán một địa chỉ IP để cho nó có thể truyền với các máy khác. Trong dạng vật lí thì địa chỉ IP là số binary 32 bit. Tuy nhiên ở mức người sử dụng, địa chỉ IP hầu như luôn luôn biểu diễn trong dạng dễ đọc hơn gọi là số thập phân có chấm. Ví dụ 10.10.3.100 là địa chỉ IP được viết trong dạng thập phân có chấm. Các chấm ở đây là các chấm thập phân, phục vụ ranh giới ảo của 4 byte tạo ra giá trị binary 32 bit. 4 byte đã được biểu diễn dưới dạng thập phân. Khi xuất xưởng mỗi RTU đều được gán 1 địa chỉ IP mặc định. Ví dụ RTU1 có địa chỉ IP là 10.10.3.1 với tên là RTU1, RTU2 có địa chỉ IP là 10.10.3.2 với tên là RTU2. Khi xây dựng mạng, người sử dụng có thể đặt lại IP này trong chương trình EVIEW qua mạng Ethernet, sao cho mỗi RTU có 1 địa chỉ khác nhau. Ví dụ: Hệ thống đo và kiểm tra môi trường tự động có 1 RTU và 1 EVIEW như sau: HUB EVIEW IP: 10.10.3.33 Cáp dây xoắn đôi RTU1 IP: 10.10.3.1 1- 30 ®iÓm/1200m RS-232 RS485 1 THDP-1 . . . Đầu đo tiếng ồn . . . 4rơ le: ~220V 4 3. MÁY TÍNH CHỦ VỚI CHƯƠNG TRÌNH EVIEW * Hệ thống có thể nhận được 4 máy tính chủ trên mạng để cài chương trình EVIEW. Cấu hình của máy tính cần có: - Pentium2 hoặc tương đương trở lên. - RAM 64 Mb trở lên - Trên đĩa cứng 20Gb - Hệ điều hành Win98 trở lên - Windows với giao thức TCP/IP - Card mạng khởi tạo trong - Ổ đĩa mềm 1.44MB - Màn hình 16bit TrueColor 15” 800x600 - Card mạng Ethernet 10-100 Mbit/s Sound Card & bộ loa phát âm thanh. Chương trình EVIEW Chương trình có các chức năng chính sau: Chương trình EVIEW quản lý hệ thống đo qua mạng Ethernet tối đa được 32 thiết bị RTU theo dạng file dự án (Project file) với hai chế độ làm việc: - Edit Mode : cho phép soạn thảo file dự án và có thể trong thời gian thực. - Run Mode : không cho phép soạn thảo file dự án và có thể chạy trong thời gian thực. Một file dự án quản lý hệ thống đo qua mạng Ethernet bao gồm những phần sau: - Hardware Configuration : thiết lập cấu hình phần cứng từng thiết bị RTU trong mạng. - Data Logging: thiết lập chế độ lưu dữ liệu từng điểm đo - Graphic Designer : soạn thảo các màn hình đồ hoạ? - Alarm System : chế độ báo động hệ thống - Data Monitoring : giám sát số liệu các điểm đo - Security System : Bảo mật hệ thống. Sau khi hoàn thành soạn thảo một file dự án, có thể chạy file dự án trong thời gian thực (Runtime) Giao diện cửa sổ soạn thảo file dự án: 5 Giao diện màn hình chạy thời gian thực Trong chế độ chạy thời gian thực, có thể giám sát số liệu tức thời, báo động hệ thống, báo cáo số liệu theo ngày/tháng/năm, bản báo cáo báo động hệ thống. 4. THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI ĐO XA RTU1 Thiết bị đầu cuối đo xa RTU1 được chế tạo trên cơ sở công nghệ nhúng PC/104. Phần cứng của RTU1 + PC/104 Pentium 2, 300MHz 32Mb RAM, 64Mb FLASH + Card mạng Realtek 8139 + Card Rơle AX10455 + Connector RJ45 - cáp dây xoắn đôi + Đầu đo tiếng ồn Datalogging Sound Level Meter - Model 407764 + Đầu đo nhiệt độ và độ ẩm THDP-1. Phần mềm của RTU1 + Hệ điều hành DOS6.2 + Chương trình đọc các giá trị: . Tiếng ồn từ đầu đo tiếng ồn (Datalogging Sound level Meter - Model 407764), qua cổng COM1. . Nhiệt độ và độ ẩm từ đầu đo nhiệt độ và độ ẩm THDP-1, qua cổng COM2. + Ngôn ngữ lập trình C, C++ + Chương trình tạo môi trường theo chuẩn của giao thức TCP/IP trên DOS, có các lệnh chính để truyền trên mạng Ethernet sau: - Nhận tên và địa chỉ IP của PC/EVIEW - Nhận tên và địa chỉ IP của RTU1 do EVIEW đặt lại - Nhận thời gian do EVIEW gửi để đồng bộ lại thời gian - Nhận tệp ứng dụng mới, được nạp lại từ EVIEW và cho chạy tệp này. - Gửi số liệu thời gian thực theo yêu cầu của EVIEW. - Gửi toàn bộ số liệu lưu trên đĩa theo yêu cầu của EVIEW + Có thư viện trợ giúp người sử dụng - Lưu số liệu lên đĩa cứng theo một khoảng thời gian đặt trước. - Lọc bậc 1 theo tỷ lệ mong muốn. 1- 30 ®iÓm/1200m RS-232 RS485 1 THDP-1 . . . Đầu đo tiếng ồn . . . 4rơ le: ~220V 30 6 - Các thuật điều khiển - Có thể thêm các thuật riêng của người sử dụng Thư viện có sẵn 3 tệp: + EDDKL.LIB + SOCKL.LIB + WATTCPBL.LIB 5. THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI ĐO XA RTU2. Thiết bị đầu cuối đo xa RTU2 được chế tạo trên cơ sở công nghệ nhúng PC/104. Phần cứng của RTU2 + PC/104, 800MHz 512Mb RAM, 128Mb FLASH + Connector RJ45 - cáp dây xoắn đôi + Card thu nhận dữ liệu PV2019 + Card Rơle AX10455 + Điện cực đo PH HI-1333B. + Bộ chuyển đổi PH HI-8614L Phần mềm của RTU2 + Hệ điều hành DOS6.2 + Chương trình đọc các giá trị: Đo giá trị dòng qua thiết bị chuyển đổi HI 8614L, sau đó quy đổi sang giá trị độ PH và gửi cho EWIEW qua mạng Ethernet. + Ngôn ngữ lập trình C, C++ + Chương trình tạo môi trường theo chuẩn của giao thức TCP/IP trên DOS, có các lệnh chính để truyền trên mạng Ethernet sau: - Nhận tên và địa chỉ IP của PC/EVIEW - Nhận tên và địa chỉ IP của RTU2 do EVIEW đặt lại. - Nhận thời gian do EVIEW gửi để đồng bộ lại thời gian. - Nhận tệp ứng dụng mới, được nạp lại từ EVIEW và cho chạy tệp này. - Gửi số liệu thời gian thực theo yêu cầu của EVIEW. - Gửi toàn bộ số liệu lưu trên đĩa theo yêu cầu của EVIEW + Có thư viện trợ giúp người sử dụng - Lọc bậc 1 theo tỷ lệ mong muốn - Các thuật điều khiển - Có thể thêm các thuật riêng của người sử dụng Thư viện có sẵn 3 tệp: + EDDKL.LIB + SOCKL.LIB + WATTCPBL.LIB 6. KẾT LUẬN “Hệ thống đo và quan trắc môi trường xí nghiệp công nghiệp” đã sử dụng những công nghệ tiên tiến hiện nay. Công nghệ nhúng PC/104 tạo ra phần cứng của thiết bị vững chắc, nhỏ gọn, chịu được rung xóc. Các modul CPU, AD, DA, DIO đa dạng, mạng cục bộ Ethernet đạt tốc độ cao. Mạng tạo khả năng thêm các RTU dễ dàng, có thể đo và kiểm sát được vùng diện tích rộng, Phần mềm của thiết bị RTU đã cung cấp tất cả những phần cần thiết về đo các thông số như nhiệt độ, độ ẩm, tiếng ồn, độ PH và chuyển đổi sang đơn vị phù hợp như DB, 0C, % Chương trình EVIEW chạy trên các máy PC thông thường trên hệ điều hành Win98, WinXP, Win2000…EView cung cấp rất nhiều công cụ để giám sát toàn bộ hệ thống theo thời gian thực, dễ cài đặt, dễ sử dụng, đáp ứng được các yêu cầu của người sử dụng. “Hệ thống đo và quan trắc môi trường xí nghiệp công nghiệp” với các công nghệ phần cứng tiên tiến, phần mềm theo chuẩn quốc tế, dễ sử dụng, giá thành thấp hơn so với nhập ngoại rất có triển vọng được ứng dụng rộng rãi trong nước. Tài liệu tham khảo: [1]. PV-2019 Programming Information [2].NGUYỄN QUỐC CƯỜNG . (2001) Internetworking vớI TCP/IP, tập 1 [3].Tài liệu sử dụng trạm quan trắc môi trường RTU1 (2004) Phòng Công nghệ tự động hoá- Viên Công nghệ thông tin [4].Tài liệu sử dụng trạm quan trắc môi trường RTU2 (2004) Phòng Công nghệ tự động hoá- Viên Công nghệ thông tin [5].Tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm EVIEW (2003) Phòng Công nghệ Tự động hoá - Viện Công nghệ Thông tin 8AI: 4-20mA . . . . . . . . . 8AI: 0-10V 4 rơle: ~220V Đầu đo dòng 4-20mA . 2. HỆ THỐNG ĐO VÀ QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP. Hệ thống đo và quan trắc môi trường xí nghiệp công nghiệp gồm có các thiết bị đầu cuối đo. công nghiệp tập trung. Trong báo cáo này chúng tôi trình bày Hệ thống đo và quan trắc môi trường xí nghiệp công nghiệp được phát triển trên nền công nghệ