Hình 3-2. Sơ đồ truyền thông
Để truyền tín hiệu đo từ các từ các cảm biến (điểm đo, quá trình sản xuất) đến nơi mà tín hiệu đo đƣợc ghi lại, hiển thị và đƣợc sử dụng cho hệ thống điều khiển quá trình sản xuất thì cần thiết phải có hệ thống truyền tín hiệu đo. Bởi vì phải truyền qua khoảng cách xa và phụ thuộc vào môi trƣờng truyền dẫn cho nên tín hiệu đo có thể đƣợc chuyển thành tín hiệu điện dạng phù hợp, tín hiệu quang, tín hiệu sóng radio hoặc dạng tín hiệu tƣơng tự và số khác. Một điểm đặc biệt cần phải đề cập đến khi truyền tín hiệu đo đó là sự ảnh hƣởng của nhiễu, đa số các nguồn nhiễu tồn tại trong môi trƣờng công nghiệp nhƣ là trƣờng điện từ phát sinh từ máy điện và cáp điện lực, nhiễu sinh ra do quá trình quá độ trong mạch điện… phƣơng thức truyền tín hiệu đo phổ biến nhƣ: truyền thông tín hiệu đo dƣới dạng dòng điện và điện áp; truyền thông tín hiệu đo dƣới dạng quang; truyền thông không dây; truyền thông tín hiệu đo dƣới dạng số và truyền thông tín hiệu đo qua mạng máy tính. Mỗi một phƣơng thức truyền tín hiệu đo đều có những ƣu nhƣợc điểm về khả năng
Đầu ra các I/O Các máy tính
giám sát
PHÒNG ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM
CÁC TỦ
ĐIỀU KHIỂN
Tới các thiết bị hiện trƣờng Các đầu nối
truyền tín hiệu đo, khoảng cách và khả năng chống nhiễu. Do đó tùy từng trƣờng hợp cụ thể mà chúng ta lựa chọn phƣơng thức truyền thông tín hiệu đo cho phù hợp.
3.2.1Truyền thông tín hiệu đo dạng dòng điện
Khi truyền thông tín hiệu đo với khảng cách xa thay vì sử dụng tín hiệu điện áp ngƣời ta sẽ chuyển sang sử dụng tín hiệu dòng điện. Khi sử dụng tín hiệu dòng ta có thể giảm thiểu đƣợc sự ảnh hƣởng của trở kháng dây dẫn tín hiệu và cho phép truyền thông đƣợc tín hiệu đo ở khoảng cách xa hơn. Dải tín hiệu dòng điện thƣờng đƣợc sử dụng là từ 4mA đến 20mA. Để thực hiện việc chuyển từ tín hiệu đo dạng điện áp sang dòng điện ta sử dụng mạch chuyển đổi nhƣ sau (voltage to current converter, current loop interface):
Hình 3-3. Mạch chuyển đổi điện áp sang dòng điện từ 4 đến 20mA
trong đó sử dụng hai nguồn dòng đƣợc điều khiển bằng điện áp, một nguồn dòng cung cấp dòng điện ổn định 4mA và một nguồn còn lại cung cấp dòng điện thay đổi đƣợc trong phạm vi từ 0-16mA, dòng điện này thay đổi nhờ điện áp đƣa vào đầu vào của mạch. Khi đó dòng điện đầu ra sẽ thay đổi trong khoảng từ 4-20mA tƣơng ứng với độ lớn của tín hiệu áp đƣa vào đầu vào của mạch từ 0 đến giá trị điện áp cực đại, nếu dòng điện bằng 4mA thì tín hiệu đo tƣơng ứng bằng 0, nếu dòng điện bằng 20mA thì tín hiệu đo tƣơng ứng là lớn nhất, còn nếu dòng điện bằng 0 có nghĩa là mạch dẫn dòng điện đang bị hở mạch (đứt dây). Hình vẽ sau đây minh họa một mạch chuyển đổi từ áp 0- 5V sang dòng điện từ 4 -20mA trong thực tế.
x u - + + - 2(4 16 ) i mA 4mA 4 20 ( ) x i mA 1 i
`
Hình 3-4Mạch chuyển đổi điện áp 0-5V sang dòng điện từ 4-20mA trong thực tế Công thức quan hệ giữa dòng điện đầu ra và điện áp đầu vào đƣợc thiết lập trong trƣờng hợp ta chọn các giá trị điện trở thỏa mãn điều kiện là:
R R1 3R5R R2 4 2 1 3 out in R I V R R
Tại phía nhận, tín hiệu đo dạng dòng điện từ 4-20mA sẽ đƣợc chuyển ngƣợc lại dạng điện áp để đƣa tới các thiết bị đo, hiển thị bằng mạch chuyển đổi dòng điện - điện áp
+ Ƣu điểm : truyền đi xa giảm trở kháng của dây dẫn tín hiệu + Nhƣợc điểm : - Nhiều điểm nối dây
- Không thể can thiệp sâu vào hệ thống
- Không cho phép các thiết bị của nhà sản xuất kết nối với nhau.
3.2.2 huẩn truyền thông RS232
Chuẩn truyền thông RS232 là chuẩn truyền thông rất phổ biến trong công nghiệp, ví truyền thông giữa thiết bị đo nhiệt độ và máy tính, cảm biến có nhiệm vụ gửi giá trị nhiệt độ đo đƣợc tới máy tính để hiển thị, lƣu giữ và tính toán thông qua chuẩn truyền thông RS232.
Hình 3-5Minh họa truyền thông giữ thiết bị đo nhiệt độ và máy tính hiển thị:1- thiết bị đo nhiệt độ có hỗ trợ truyền thông RS232, 2- cáp nối, 3- cổng giao tiếp RS232
Hình 3-6 Hình dáng và chức năng của giắc cắm RS232 đực (cột bên trái) và cái (cột bên phải)
RS232 hay còn gọi là EIA232 có hai loại zắc cắm đó là giắc cắm 9 chân và zắc cắm 25 chân, tuy nhiên dạng zắc cắm 9 chân thƣờng đƣợc sử dụng nhiều hơn. Để cắm đƣợc với nhau, ta phải có zắc cắm đực và zắc cắm cái. Hình 3- minh họa dạng zắc cắm 9 chân và chức năng của các chân, trong đó chức năng của một số chân quan trọng đƣợc liệt kê nhƣ dƣới đây:
RxD (Receive Data): đƣờng nhận dữ liệu
TxD (Transmit Data): đƣờng truyền dữ liệu
DTR (Data terminal ready): khi DTR ở trạng thái ON có nghĩa là các thiết bị kết nối giữa hai đầu sẵn sàng thiết lập truyền thông
`
DCD(Data carrier detect): chân kiểm soát đƣờng truyền
RTS(Request to send) kiểm soát chiều truyền dữ liệu
CTS(clear to send) thông báo rằng đã sẵn sàng nhận dữ liệu
Khi kết nối RS232, ta dùng cáp nối RS232 có zắc cắm đực dùng để nối với máy tính và zắc cắm còn lại đƣợc nối với thiết bị đo, việc truyền thông giữa hai thiết bị này có thể thực hiện cùng một lúc, chính vì vậy mà ta sử dụng hai dây riêng rẽ TxD và RxD cho việc truyền và nhận dữ liệu. Việc truyền dẫn tín hiệu sẽ đƣợc thực hiện ở hai chế độ, chế độ ghép nối tối thiểu và chế độ bắt tay.
3.2.3 huẩn truyền thông RS485
Khác với chuẩn truyền thông RS232, RS485 sử dụng điện áp chênh lệch đối xứng để biểu diễn các bit 0 và 1, chính vì vậy cho phép tăng đƣợc chiều dài dây dẫn một cách đáng kể, có thể truyền tới khoảng cách 1200m mà không cần khuếch đại công suất lặp lại. Ngoài đặc điểm nhƣ vậy RS485 còn có khả năng truyền thông đa điểm, có nghĩa là có thể có nhiều thiết bị truyền và nhận nối song song với nhau (có thể đến 32 thiết bị truyền nhận), hay nói cách khác có thể tạo thành bus.
Về giao diện vật lý, RS485 cũng có loại 9 chân giống nhƣ RS232, tuy nhiên chức năng của các chân lại khác nhau, bảng sau đây so sánh chức năng của các chân đối với giao diện vật lý R2232 và RS485 cho các loại 25 chân và 9 chân.
Bảng 3-7. Bảng quy định chức năng của các chân trong giao diện vật lý 9, 25 chân đối với RS485 và RS232
Quy định về khung dữ liệu cũng giống nhƣ RS232, tuy nhiên mức điện áp để quy định các bít 1 và 0 của dữ liệu là: bít 0, điện áp là từ +1.5V đến 5V, bít 1 là từ - 5V đến -1.5V, dòng ngắn mạch cho phép tối đa là ±250mA, trở kháng đầu vào là 12kΩ. Hình vẽ sau đây minh họa cách nối 02 thiết bị (bộ điều hiển v cảm biếnđo) sử dụng truyền thông RS485 với máy tính.
Hình 3-8 Kết nối 2 thiết bị với máy tính sử dụng chuẩn RS485
Khi số lƣợng thiết bị truyền nhận mắc song song tăng lên, sẽ dẫn đến tình trạng suy giảm mức tín hiệu quá mức cho phép, theo tiêu chuẩn bộ phát tín hiệu phải đảm bảo dòng tổng cộng 60mA đủ để cung cấp cho hao điện trở đầu cuối mắc song song tƣơng ứng tải 60Ω (120Ω tại mỗi đầu), với điện áp tối thiểu 1.5V, tạo dòng tƣơng đƣơng 25mA 45
RS485 có thể đƣợc sử dụng cho các mạng multi-drop, có nghĩa là có thể kết nối nhiều thiết bị RS485 đến một máy tính. Có thể kết nối 32 thiết bị trên cùng một mạng để giao tiếp sử dụng một cặp dây TD(B)+và TD(A) - (cộng với một dây nối đất GND, 3 dây như minh họa trên Hình 3-), trong một số trƣờng hợp số thiết bị có thể đƣợc tăng lên bằng cách sử dụng lặp RS485.
Trong thực tế máy tính luôn dành sẵn một số cổng giao diện RS232, cho nên để
Cáp xoắn đôi có vỏ bọc được nối đất Truyền thông 2
chiều, 2 dây
RS485
Bộ điều khiển Thiết bị đo
Cáp xoắn đôi có vỏ bọc được nối đất Truyền thông 2 chiều, 2
dây RS485
`
kết nối máy tính với các thiết bị đo, đồng hồ, máy quét, PLC hoặc thiết bị điều khiển trong công nghiệp.
Hình 3-9 Mạch chuyển đổi RS232- RS485
Khác với RS232, RS485 tại một thời điểm chỉ có thể truyền hoặc nhận, các thiết bị kết nối có quyền bình đẳng trong việc truy nhập đƣờng dẫn. Trong một mạng RS485 chỉ có một trạm chủ (thường l máy tính, hoặc PLC) và trạm tớ (các cảm biến, thiết bị đo v.v) có thể giao tiếp ở một thời điểm, hoặc là truyền hoặc là nhận. Để thực hiện đƣợc điều này ta cần định địa chỉ cho từng trạm tớ, ví dụ trạm tớ 1 có địa chỉ 001, trạm tớ 2 có địa chỉ 002 và vv. Các địa chỉ này thƣờng đƣợc chỉ định và kiểm soát bởi phần mềm, hoặc các phần mềm chạy ở trạm chủ RS485 (PC), hoặc phần mềm đƣợc lập trình trong mỗi trạm tớ. Đôi khi các thiết bị kết nối ở những trạm tớ là địa chỉ của phần cứng (DIP switch) riêng thay vì phần mềm, tuy nhiên điều này không đƣợc sử dụng thƣờng xuyên.
RS485 không quy định cụ thể cho các chân nối, cũng nhƣ yêu cầu về cáp nối. Đối với các chân nối thông thƣờng ta hay sử dụng hai cặp chân ký hiệu là A và B với quy ƣớc:
B(+): TxD+/RxD+ đƣợc gọi là chân không đảo
với cùng một chân nối đất GND. Có hai phƣơng pháp đó là sử dụng sơ đồ 2 dây và sơ đồ 4 dây nhƣ sau:
`
Đối với cáp nối ta có thể sử dụng cáp xoắn đôi, cáp trơn hoặc các loại cáp khác, tuy nhiên cáp xoắn đôi đƣợc dùng phổ biến nhằm tăng cƣờng khả năng chống nhiễu đặc biệt là nhiễu xuyên âm.
Trong các trƣờng hợp nếu khoảng cách truyền thông dài (trên 300m) và tốc độ truyền lớn hơn 115kbit ta nên sử dụng điện trở đầu cuối (thường l 100Ω đến
120Ω) nối giữa hai đầu dây A và B theo sơ đồ sau:
Hình 3-12 Cách nối điện trở đầu cuối
3.2.4 Giải pháp truyền thông bằng Bus
Khi ta cần truyền thông tín hiệu đo với khoảng cách vƣợt qua giới hạn quy định về khoảng cách của các chuẩn truyền thông (ví dụ như lớn hơn 1200m đối với
RS485 hoặc lớn hơn 1000ft đối với chuẩn dòng điện 20mA) ta cần phải có biện pháp để xử lý vấn đề này. Profibus là một chuẩn bus trƣờng mở, không phụ thuộc vào nhà cung cấp, nó đƣợc sử dụng trong một phạm vi rộng các ứng dụng trong tự động hoá sản xuất và tự động hoá quá trình, Profibus có thể dùng cho cả ứng dụng đòi hỏi tính năng thời gian với tốc độ cao và các nhiệm vụ truyền thông phức tạp, Foundation Fieldbus không chỉ là một giao thức thông tin mà nó còn có các đặc điểm sau:
- Thay thế hoàn toàn cho hệ thống cũ truyền bằng nguồn dòng 4-20mA.
- Các chức năng điều khiển, cảnh báo, theo dõi quá trình… đƣợc phân tán tới các thiết bị trong hệ thống.
- Cho phép các thiết bị của các nhà sản xuất kết nối với nhau.
3.3. Thiết bị trƣờng
Thực tế tại nhà máy nhiệt điện cho ta thấy, để điều khiển các đối tƣợng nhƣ: nhiệt độ, lƣu lƣợng, áp suất, mức trong các bể ... ta thƣờng tác động vào khối chấp hành của bộ điều chỉnh là các van. Cấu tạo của các van này gồm 3 bộ phận đó là: cơ cấu cảm nhận vị trí, bộ tác động và bộ chấp hành.
Các van có thể nhận tín hiệu điều khiển dƣới dạng tín hiệu điện 4 – 20mA hoặc dƣới dạng khí 20 – 100Kpa. Nguồn cấp cho các van điện là 220V, còn nguồn cấp cho các van khí là 600Kpa. Nếu nhƣ cần điều khiển van khí thì tín hiệu điều khiển từ FCS đƣa xuống dƣới dạng dòng 4 – 20mA phải đƣợc cho vào bộ chuyển đổi I/P thành tín hiệu áp suất của khí 20 – 100Kpa, trƣớc khí đƣa vào điều khiển van và ngƣợc lại.
Một số loại sensor đo tiêu biểu đang đƣợc sử dụng tại quá trình sinh hơi và quá trình gia nhiệt cho nƣớc cấp:
Cảm biến đo nhiệt độ
Cảm biến đo áp suất hơi
Cảm biến đo mức
Cảm biến đo lƣu lƣợng
3.3.1 Điểm đo nhiệt độ
Nguyên lí và cấu tạo: Cảm biến nhiệt độ cho một đầu ra tỉ lệ với nhiệt độ, hầu hết cảm biến có một hệ số nhiệt độ dƣơng, điều đó có nghĩa là giá trị điện ở đầu ra của cảm biến tăng khi nhiệt độ tăng tuy nhiên có một số loại cảm biến nhiệt độ có hệ số âm, nghĩa là giá trị tín hiệu đầu ra của cảm biến giảm khi nhiệt độ tăng.
Trên thì trƣờng hiện nay có rất nhiều loại cảm biến:
- Cảm biến nhiệt độ RTD
- Cảm biến nhiệt độ TC, PT
`
3.3.1.1 Cảm biến nhiệt điện trở
Cấu tạo, nguyên lý hoạt động: Cấu tạo của nhiệt điện trở gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…đƣợc quấn tùy theo hình dáng của đầu đo, hình dáng cảm biến điện trở ngoài thực tế
Hình 3-13: Nhiệt điện trở
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 cảm biến nhiệt điện trở là loại cảm biến Pt, đƣợc làm từ Platinum. Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo đƣợc dài. Thƣờng có các loại: 100, 200, 500, 1000 Ω tại 0oC. Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao.
- Ƣu điểm:
+ Độ chính xác và ổn định cao
+ Dải nhiệt độ rộng: -2000Cđến +6500
C tùy theo từng loại + Cực kì ổn định theo thời gian: sai lệch > 0,1ºC/ năm + Điện trở kháng cực kì tuyến tính.
- Nhƣợc điểm:
+ Độ nhạy thấp, đáp ứng tƣơng đối chậm
+ Kích thƣớc lớn và giá thành còn tƣơng đối cao
3.3.1.2 ặp nhiệt ngẫu
Hình 3-14 cấu tạo cặp nhiệt ngẫu
Cặp nhiệt điện gồm hai dây kim loại khác nhau đƣợc nối chung ở hai đầu. Một đầu đƣợc coi là điểm lạnh và một đầu coi là điểm nóng (điểm đo). Khi hai đầu có nhiệt độ khác nhau thì hình thành một điện áp bên trong hai đầu dây, đo lƣợng điện áp này có thể xác định đƣợc nhiệt độ tại đầu cần đo.
- Ƣu điểm :
+ Bền, đo nhiệt độ cao. - Nhƣợc điểm:
+ Nhiều yếu tố ảnh hƣởng làm sai số
+ Độ nhạy không cao, thƣờng dùng trong lò nhiệt, môi trƣờng khắc nhiệt, đo nhiệt độ nhớt máy nén,…
3.3.1.2 Hỏa quang ế
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
- Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học
- Nguyên lý: Chúng hoạt động dựa trên nguyên tắc các vật mang nhiệt sẽ có hiện tƣợng bức xạ năng lƣợng và năng lƣợng bức xạ sẽ có một bƣớc sóng nhất định. Hỏa kế sẽ thu nhận bƣớc sóng này và phân tích để cho ra nhiệt độ của vật cần đo.
`
- Ƣu điểm: Dùng trong môi trƣờng khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trƣờng đo.
- Khuyết điểm: Độ chính xác không cao và giá thành đắt tiền. - Thƣờng dùng: Làm các thiết bị đo cho lò nung.
- Nhiệt kế bức xạ (hỏa kế) là loại thiết bị chuyên dụng dùng để đo nhiệt độ của những môi trƣờng mà các cảm biến thông thƣờng không thể tiếp xúc đƣợc (lò nung thép, hóa chất ăn mòn mạnh, khó đặt cảm biến)
- Gồm có các loại: Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cƣờng độ sáng, hỏa kế màu sắc