Hệ thống chữa cháy bằng bọt

 Hệ thống chữa cháy bằng robot thông minh

Xem hình (1.9)

Đây là một hệ thống chữa cháy hiện đại và hiệu quả, vòi nước sẽ được điều khiển đến vị trí phun thơng qua một robot, hệ thống này sử dụng các camera hồng ngoại, các cảm biến để nhận diện được chính xác vị trí nơi xáy ra cháy nhằm dập tắt các ngọn lửa từ khi nó mới bắt đầu, vì thế giúp giảm thiểu được tối đa thiệt hại.

Hệ thống này thích hợp lắp đặt ở các khu vực như, trong bệnh viện, trong các trung tâm thương mại, các khu chung cư… [10]

Hình 1.9. Hệ thống chữa cháy bằng robot thơng minh

1.6.3. Ứng dụng

Hệ thống chữa cháy là một trong những hệ thống quan trọng không thể thiếu trong các cơng trình, dự án, các công ty, nhà máy,… việc trang bị và vận hành hiệu quả một hệ thống chữa cháy sẽ góp phần giảm thiểu các tổn thất về người và của. Hệ thống chữa cháy sẽ góp phần dâp tắt nhanh chóng đám cháy bằng các phương thức khác nhau, tuỳ thuộc vào nhu cầu của người sử dụng, ví dụ như: hệ thống chữa cháy bằng nước, bằng khí CO2, bằng bọt, bằng robot chữa cháy, bằng bột khô…

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mơ hình tủ điện cấp nguồn tự động, điều khiển cho hệ thống chữa cháy

CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG

2.1. Các thiết bị điều khiển

2.1.1. Bộ điều khiển trung tâm PLC S7-1200

2.1.1.1. Tổng quan về PLC

PLC là từ viết tắt của Programmable Logic Controller (Tiếng Việt: Bộ điều khiển Logic có thể lập trình được). Khác với các bộ điều khiển thông thường chỉ có một thuật tốn điều khiển nhất định, PLC có khả năng thay đổi thuật toán điều khiển tùy biến do người sử dụng viết thông qua một ngơn ngữ lập trình. Do vậy, nó cho phép thực hiện linh hoạt tất cả các bài toán điều khiển. [4]

2.1.1.2. Cấu trúc cơ bản của PLC

Xem hình (2.1)

PLC là một thiết bị cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển số thông qua một ngơn ngữ lập trình. Tồn bộ chương trình điều khiển sẽ được lưu vào trong bộ nhớ của PLC. Điều này làm cho PLC giống như một máy tính, nghĩa là có bộ vi xử lý, một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu các chương trình hỗ trợ điều khiển, dữ liệu, các cổng ra/vào để kết nối với các đối tượng điều khiển...[4] Như vậy có thể thấy cấu trúc cơ bản của một PLC bao giờ cũng gồm các thành phần cơ bản sau:

- Mô đun nguồn.

- Mô đun xử lý tín hiệu. - Mơ đun vào.

- Mô đun ra. - Mô đun nhớ. - Thiết bị lập trình.

Ngồi các module chính như trên, PLC cịn có các mơ đun phụ trợ như mô đun giao tiếp mạng, truyền thông, module ghép nối các module chức năng để xử lý tín hiệu như module kết nối với các can nhiệt, module điều khiển động cơ bước, module kết nối với encoder, module đếm xung vào… [4]

Hình 2.1. Cấu trúc cơ bản của PLC

2.1.1.3. Tìm hiểu về PLC S7-1200

 Tổng quan về PLC S7-1200

Dòng PLC Siemens S7 1200 là thiết bị tự động hóa đơn giản nhưng có độ chính xác cao và tốc độ xử lý nhanh. Nó được thiết kế dạng module nhỏ gọn, linh hoạt, phù hợp cho một loạt các ứng dụng. [4]

PLC S7 1200 của hãng Siemens có một giao diện truyền thơng mạnh mẽ đáp ứng tiêu chuẩn cao nhất của truyền thơng cơng nghiệp và đầy đủ các tính năng cơng nghệ mạnh mẽ tích hợp sẵn làm cho nó trở thành một giải pháp tự động hóa hồn chỉnh và tồn diện.[4]

PLC S7-1200 của Siemens được thiết kế thêm nhiều tính năng tuyệt vời, từ đó đã khắc phục các nhược điểm của S7-200 trước đây.[4]

2.1.1.4. Các bộ điều khiển trung tâm CPU tiêu biểu trên PLC S7-1200

- SIMATIC S7-1200 CPU 1211C - SIMATIC S7-1200 CPU 1212C - SIMATIC S7-1200 CPU 1214C - SIMATIC S7-1200 CPU 1215C - SIMATIC S7-1200 CPU 1217C - CPU 1212FC - CPU 1214FC - CPU 1215FC - SIPLUS S7-1200

2.1.1.5. Các loại module của PLC S7-1200

- Signal Boards (SB) - Digital Module - Analog Module

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mơ hình tủ điện cấp nguồn tự động, điều khiển cho hệ thống chữa cháy

2.1.1.6. PLC S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC (6ES7212-1AE40-0XB0)

Hình 2.2. PLC S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC (6ES7212-1AE40-0XB0)

2.1.1.7. Thông số kỹ thuật

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của PLC S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC

Tên thơng số Đặt tính

Mã sản phẩm 6ES7212-1AE40-0XB0

Dòng sản phẩm SIMATIC S7-1200 CPU 1212C

DC/DC/DC

Hãng sản xuất SIEMENS

Xuất xứ China (Trung Quốc) / CN

Tích hợp đầu vào số 8 DI 24 V DC

Tích hợp đầu ra số 6 DO 24 V DC

Tích hợp đầu vào tương tự 2 AI 0-10 V DC Bộ nhớ chương trình/ dữ liệu 50 KB

Kích thước (Rộng x Cao x Sâu) 90 x 100 x 75 mm

Trọng lượng 370 g

Công suất tổn thất 9 W

Nguồn 24 VDC

Giới hạn dưới cho phép 20.4 VDC Giới hạn trên cho phép 28.8 VDC

Dòng điện tiêu thụ 400 mA cho duy nhất CPU

Dòng điện tiêu thụ tối đa 1200 mA cho CPU và tất cả các mô đun mở rộng

Dòng điện khởi động 12 A tại 28.8 VDC Các kiểu dữ liệu cho lưu trữ khi mất

nguồn (bao gồm bộ định thì, bộ đếm, cờ nhớ flags), tối đa

10 kbyte

Cờ nhớ flag 4 kbyte

Số lượng tối đa trên mỗi lớp ưu tiên 16 kbyte, Priority class 1 (program cycle): 16 KB, Priority class 2 đến 26: 6KB

2.1.2. Module modbus RS485

 Tổng quan về chuẩn truyền thơng RS485 Hình ảnh thực tế Module xem hình (2.3)

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mơ hình tủ điện cấp nguồn tự động, điều khiển cho hệ thống chữa cháy

Modbus RS485 là một trong những chuẩn truyền thông được áp dụng phổ biến nhất hiện nay. Như PLC điều khiển biến tần (hoặc cũng có thể sử dụng HMI để điều khiển mà không cần thông qua PLC), hoặc kết nối các bộ điều khiển nhiệt độ, cảm biến. Với ưu điểm đơn giản, dễ sử dụng, cấu hình gọn hoạt động ổn định.[5]

RS485 không chỉ là giao diện từ thiết bị đến thiết bị đơn lẻ mà còn là 1 modbus truyền thông được sử dụng để tạo thành các mạng đơn giản của nhiều thiết bị. Liên kết RS485 được hình thành cho việc thu nhận dữ liệu ở khoảng cách xa và điều khiển cho những ứng dụng. Những đặt điểm nối trội của RS485 là nó có thể hỗ trợ 1 mạng lên tới 32 trạm thu phát trên cùng 1 đường truyền, tốc độ baut có thể lên tới 115.200 cho một khoảng cách là 4000 feet (1200m).[5]

RS485 được sử dụng phổ biến như một POS, công nghiệp, viễn thông và đặt biệt là trong môi trường nhiễu do phạm vi bus truyền thông rộng cho phép truyền dữ liệu qua đường cáp dài trong môi trường nhiễu. RS485 cũng phổ biến trong máy tính, PLC, vi điều khiển và cảm biến thơng minh trong các ứng dụng khoa học kỹ thuật. [5]

Hình 2.3. Module modbus rs485

 Các chức năng nổi bật của module modbus rs485 (6ES7241-1CH30-1XB0)  Các chức năng cơ bản như logic nhị phân, phân bổ kết quả, lưu, đếm, tạo thời gian, tải, truyền, so sánh, dịch chuyển, xoay, tạo phần bổ sung, gọi chương trình con (với các biến cục bộ)

 Các lệnh giao tiếp tích hợp (ví dụ: giao thức USS, Modbus RTU, giao tiếp hoặc Freeport)

 Các chức năng thân thiện với người dùng như điều chế độ rộng xung, chức năng chuỗi xung, chức năng số học, số học dấu phẩy động, điều khiển vịng kín PID, chức năng nhảy, chức năng vịng lặp và chuyển đổi mã

 Các hàm tốn học, ví dụ: SIN, COS, TAN, LN, EXP

 Chức năng đếm thân thiện với người dùng kết hợp với bộ đếm tích hợp và các lệnh đặt biệt cho bộ đếm tốc độ cao mở ra các lĩnh vực ứng dụng mới cho người dùng.

 Các ngắt được kích hoạt theo cạnh (được kích hoạt bằng cách tăng hoặc giảm các cạnh của tín hiệu quy trình trên đầu vào ngắt) hỗ trợ phản ứng nhanh chóng với các sự kiện của quy trình.

 Ngắt bộ đếm có thể được kích hoạt khi đạt đến điểm đặt hoặc khi hướng đếm thay đổi.

 Ngắt giao tiếp cho phép trao đổi thơng tin nhanh chóng và dễ dàng với các thiết bị ngoại vi như máy in hoặc máy đọc mã vạch.

2.1.3. Bộ lập trình LOGO! siemens

2.1.3.1. Tổng quan về bộ lập trình LOGO! Siemens

Hình ảnh thực tế PLC Logo! siemens xem hình (2.4)

Bộ điều khiển relay thông minh LOGO là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển số thơng qua một ngơn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật tốn đó bằng các mạch số. Như vậy với chương trình điều khiển trong mình, LOGO trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi thuật toán và đặt biệt dễ dàng trao đổi thơng tin với mơi trường xung quanh. [7] Tính năng ưu việt của bộ điều khiển LOGO như sau:

- Lập trình dễ dàng, ngơn ngữ lập trình dễ học.

- Có thể lập trình trực tiếp trên màn hình hoặc thực hiện trên máy tính rồi đổ chương trình sang bộ LOGO hoặc ngược lại.

- Có thể để chương trình qua lại giữa các bộ LOGO với nhau. - Tính tương thích cao với các thiết bị khác.

- Giao tiếp được với các thiết bị thơng minh khác như: máy tính, nối mạng.

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình tủ điện cấp nguồn tự động, điều khiển cho hệ thống chữa cháy

2.1.3.2. Cấu trúc phần cứng

Hình 2.5. cấu trúc phần cứng Logo siemens

2.1.3.3. Cách nhận dạng các loại Logo siemens

Trước khi sử dụng LOGO!, phải biết một số thông tin cơ bản về sản phẩm như điện áp nguồn, ngõ ra là relay hay transistor.... Các thơng tin đó được tìm thấy ngay ở góc dưới bên trái của sản phẩm.[7]

Hình 2.6. Cách nhận dạng các loại PLC Logo Một số ký hiệu dùng để nhận biết các đặt tính của sản phẩm: Một số ký hiệu dùng để nhận biết các đặt tính của sản phẩm: - 12: nguồn cung cấp là 12 VDC

- 24: nguồn cung cấp là 24 VDC

- 230: nguồn cung cấp trong khoảng 115...240 VAC/DC

- R: ngõ ra là relay. Nếu dịng thơng tin khơng chứa kí tự này nghĩa là ngõ ra của sản phẩm là transistor

- C: sản phẩm có tích hợp các hàm thời gian thực. - 0: sản phẩm khơng có màn hình hiển thị.

- DM: Modul digital. - AM: modul analog. - CM: modul truyền thông.

2.2. Các thiết bị đầu vào (input)

 Cảm biến phát hiện lửa

 Tổng quan về cảm biến phát hiện lửa

Cảm biến phát hiện lửa (xem hình 2.7) là một thiết bị có khả năng phát hiện ngọn lửa ở một khoảng cách nhất định và xuất ra một tín hiệu điện để cảnh báo cho người dùng.

Hình 2.7. Cảm biến phát hiện lửa  Nguyên lý hoạt động  Nguyên lý hoạt động

Như đã biết mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0 độ K đều phát ra tia hồng ngoại nhưng ở các bước sóng khác nhau. Và ngọn lửa cũng khơng ngoại lệ, nó phát ra tia hồng ngoại ở dãy dải 760nm-1100nm. Dựa vào điều này, module cảm biến phát hiện lửa dùng một diode hồng ngoại thu tín hiệu hồng ngoại ngọn lửa phát ra. Thơng qua mạch tích hợp IC LM393 so sánh và đưa ra tín hiệu đầu ra.[1] Xem hình (2.8)

Trên serial monitor sẽ liên tục hiện ra các giá trị Analog mà cảm biến đo được, nếu đưa cảm biến gần nguồn lửa thì giá trị sẽ giảm dần về 0.

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mơ hình tủ điện cấp nguồn tự động, điều khiển cho hệ thống chữa cháy

 Thông số kỹ thuật

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của cảm biến phát hiện lửa flame-sensor-C121

Tên thơng số Đặt tính

Nguồn cấp 3.3V – 5VDC

Dịng tiêu thụ 15mA

Tín hiệu ra Digital 3.3 – 5VDC, Analog 4-20mA

Khoảng cách phát hiện 80cm

Góc quét 60 độ

Kích thước 3.2 x 1.4 cm

Bước sóng phát hiện được 760-1100 nm

 Sơ đồ chân

Hình 2.9. Sơ đồ chân của cảm biến phát hiện lửa (flame-sensor-C121)

2.3. Các thiết bị đầu ra (output)

2.3.1. Relay

2.3.1.1. Tổng quan về relay

Relay (xem hình 2.11) là một cơng tắc điện từ được vận hành bởi một dịng điện tương đối nhỏ có thể bật hoặc tắt một dòng điện lớn hơn nhiều. Trái tim của relay là một nam châm điện (một cuộn dây trở thành một nam châm tạm thời khi dòng điện chạy qua nó). Relay được xem như là một loại đòn bẩy điện: Khi bật nó bằng một dòng điện nhỏ và nó bật (“địn bẩy”) một thiết bị khác sử dụng dịng điện lớn hơn nhiều.[3]

Hình 2.10. Một số loại relay trong công nghiệp AO: Analog output AO: Analog output

G: GND +: VCC

2.3.1.2. Cấu tạo

Về cấu trúc cơ bản của relay (rơ – le) sẽ bao gồm một cuộn dây kim loại đồng hoặc nhôm được quấn quanh một lõi sắt từ. Bộ phận này có phần tĩnh được gọi là ách từ (Yoke) và phần động được gọi là phần cứng (Armature). Phần cứng sẽ được kết nối với một tiếp điểm động, cuộn dây có tác dụng hút thanh tiếp điểm lại để tạo thành trạng thái NO và NC. Mạch tiếp điểm (mạch lực) có nhiệm vụ đóng cắt các thiết bị tải với dòng điện nhỏ và được cách ly bởi cuộn hút. [3] Xem hình (2.12)

Hình 2.11. Cấu tạo cơ bản của relay

2.3.1.3. Nguyên lý hoạt động

Khi dịng điện chạy qua mạch thứ nhất (1), nó sẽ kích hoạt nam châm điện. Từ đó tạo ra từ trường để thu hút một tiếp điểm (màu đỏ). Sau đó sẽ kích hoạt mạch thứ hai (2). Khi tắt nguồn, một lò xo được lắp trước vào tiếp điểm sẽ có nhiệm vụ là kéo tiếp điểm trở lại vị trí ban đầu, tắt mạch thứ hai lại một lần nữa. [3] Xem hình (2.13)

Hình 2.12. Nguyên lý hoạt động của relay

2.3.2. Contactor

2.3.2.1. Tổng quan về contactor

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mơ hình tủ điện cấp nguồn tự động, điều khiển cho hệ thống chữa cháy

vượt quá giới hạn dòng điện quá tải của mạch điện. Việc đóng cắt cơng tắc tơ có tiếp điểm có thể được thực hiện bằng nam châm điện. Thủy lực hay khí nén. Thơng thường ta gặp loại đóng cắt bằng nam châm điện hay một cách gọi khác là contactor điện từ. [3]

Những năm gần đây người ta đã chế tạo loại contactor không tiếp điểm. Việc đóng ngắt được thực hiện bằng cách cho các xung điện để khóa hoặc mở các van bán dẫn (thyristor, triac). Loại khởi động từ khơng tiếp điểm có tần số đóng cắt lớn, có thể tới 1800 lần trong một giờ. [3]

Hình 2.13. Một số loại contactor thông dụng

2.3.2.2. Cấu tạo

Cấu tạo cơng tắc tơ [3] (xem hình 2.17) bao gồm:

- Nam châm điện: gồm có các chi tiết: Cuộn dây dùng tạo ra lực hút nam châm; Lõi sắt; Lò xo tác dụng đẩy phần nắp trở về vị trí ban đầu.

- Hệ thống dập hồ quang: Khi chuyển mạch, hồ quang điện sẽ xuất hiện làm các tiếp điểm bị cháy và mịn dần, vì vậy cần hệ thống dập hồ quang.

- Hệ thống tiếp điểm cơng tắc tơ: gồm có tiếp điểm chính và tiếp điểm phụ

- Tiếp điểm chính: Có khả năng cho dịng điện lớn đi qua. Tiếp điểm chính là tiếp điểm thường hở đóng lại khi cấp nguồn vào mạch từ của công tắc tơ trong tủ điện làm mạch từ hút lại.

- Tiếp điểm phụ: Có khả năng cho dòng điện đi qua các tiếp điểm nhỏ hơn 5A. Tiếp điểm phụ có hai trạng thái: Thường đóng và thường mở.

- Tiếp điểm thường đóng là loại tiếp điểm ở trạng thái đóng (có liên lạc với nhau giữa hai tiếp điểm) khi cuộn dây nam châm trong công tắc tơ ở trạng thái nghỉ (không được cung cấp điện). Tiếp điểm này mở ra khi công tắc tơ ở trạng thái hoạt động. Ngược lại là tiếp điểm thường mở.

Hình 2.14. Cấu tạo của contactor

2.3.2.3. Thông số kỹ thuật của contactor 3 pha LS-9A

Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của Contactor 3 pha LS-9A