Hình 4.1: Lưu đồ thuật tốn chương trình Modbus Master của PLC S7-200.
(tham khảo mục [5]) 4.2. Sơ đồ thuật toán Module giám sát, cảnh báo GSM
Đ S
Học viên: Nguyễn Bình Quân CH Điều khiển và Tự động hóa
Học viên: Nguyễn Bình Qn CH Điều khiển và Tự động hóa
Học viên: Nguyễn Bình Quân CH Điều khiển và Tự động hóa Giải thích lưu đồ:
- Ban đầu chương trình khởi tạo các module hiển thị LCD, giao tiếp nối tiếp UART0 giao tiếp SIM, UART1 giao tiếp Modbus, khởi động module GSM, khởi tạo biến đếm thời gian trễ, đọc số điện thoại nhận cảnh báo, đọc mật khẩu từ bộ nhớ EEPROM, khởi tạo ngõ vào nhận tín hiệu số từ cảm biến, khởi tạo ngõ ra logic.
- Vịng lặp chính của chương trình thực hiện việc kiểm tra tín hiệu cảm biến áp suất đầu vào, 1 giây một lần, nếu có báo động sự cố về áp suất, thiết bị sẽ gửi tin nhắn, báo còi và thực hiện cuộc gọi đến số điện thoại được cài đặt trước (số điện thoại nhận cảnh báo). Ngồi ra trong vịng lặp chính cũng diễn ra 2 quá trình kiểm tra khác:
+ 2 tiếng một lần thiết bị kiểm tra tài khoản của SIM điện thoại, nếu tài khoản nhỏ hơn 5000đ, thiết bị sẽ gửi tin nhắn báo hết tiền đến số điện thoại nhận cảnh báo.
+ Mỗi giây một lần kiểm tra có tin nhắn mới đến trong hộp thư bằng lệnh đọc tin nhắn từ AVR tới module GSM, nếu có tin nhắn mới thiết bị sẽ đọc tin nhắn, kiểm tra và thực hiện mã lệnh trong tin nhắn nếu tin nhắn đúng cú pháp và mật khẩu.
- Thiết bị giao tiếp Modbus với PLC trong ngắt nhận UART1. Khi trạm có sự cố về thiết bị, tín hiệu thay đổi tại các cổng đầu ra PLC S7-200, bản tin Modbus Master được đóng gói bao gồm các thơng số thiết bị của trạm PRU tại thời điểm đó, truyền xuống module SIM 300CZ thơng qua ngắt nhận UART1 trên vi điều khiển AVR. Khi có một byte nhận được từ UART1, chương trình sẽ kiểm tra biến MsgEnded xác định bản tin kết thúc chưa, nếu biến này bằng 0 thì tiến hành khởi tạo bộ nhớ đệm cho bản tin mới, khơng thì lưu byte nhận được vào bộ đệm bản tin hiện thời, giá trị của biến MsgEnded này được đặt bằng 1 khi kết thúc Timer1 trễ khoảng thời gian 3 ¼ ký tư (tính theo tốc độ Baud). - Việc giao tiếp giữa vi điều khiển AVR với module SIM 300CZ để đọc tin nhắn, gửi tin nhắn, thực hiện cuộc gọi, kiểm tra tài khoản, giám sát các thông số được thực hiện bằng tập lệnh AT (gửi bằng UART0 transmitter kết hợp với nhận bằng UART0 receiver trong ngắt nhận), (tham khảo mục [5]).
Học viên: Nguyễn Bình Quân CH Điều khiển và Tự động hóa 4.3. Mơ hình sản phẩm
4.3.1 Module giám sát GSM
Hình 4.4: Module giám sát, cảnh báo GSM.
Học viên: Nguyễn Bình Quân CH Điều khiển và Tự động hóa
Hình 4.6 Bộ phát sóng Sim300CZ.
Module giám sát, cảnh báo GSM được thi cơng, lắp đặt nhỏ gọn trong hộp mica từ hình 4.5 đến hình 4.6. Module bao gồm các chân đầu vào số, đầu vào cảm biến và đầu ra số chờ sẵn, sằn sàng đấu nối khi có yêu cầu từ người quản lý hệ thống. Với bo mạch mặt trên hình 4.5, có đầu chờ kết nối với phần mềm lập trình vi điều khiển, có thể sửa phần mềm và thuận tiện trong việc đổ chương trình.
Với bộ phát sóng SIM300CZ, các đèn báo trạng thái mạng, q trình thu phát tín hiệu của giúp cho người vận hành quan sát kiểm tra tình trạng hoạt động của thiết bị phát sóng GSM.
Học viên: Nguyễn Bình Quân CH Điều khiển và Tự động hóa 4.3.2 Mơ hình giám sát và cảnh báo từ xa trạm giảm áp CNG sử dụng Module
Hình 4.7: Mơ hình giám sát và cảnh báo từ xa sử dụng Module GSM
Với mơ hình hệ thống giám sát và cảnh báo từ xa cho các trạm giảm áp CNG sử dụng module GSM như hình 4.7 thì Module kết nối với PLC S7-200 bằng port 0. Bộ PLC trong mơ hình là kiểu PLC S7-200 CPU 222 có nguồn ni bằng điện xoay chiều. Các tín hiệu đầu vào được thay đổi bởi các cơng tắc ON-OFF, đồng thời các tín hiệu báo đèn của các cổng Input và Output cũng thay đổi theo chương trình lập trình PLC đơn giản như I0.0 sáng đèn thì Q0.0 sáng đèn, các cổng tiếp theo cũng lập trình như vậy để thuận tiện quá trình chạy thử. Trên Module GSM có cơng tắc số để mơ phỏng q trình Điện thoại
cảnh báo
PLC S7-200 Module
Giám sát – Cảnh báo GSM Output PLC
Input PLC Công tắc Tác động Port 0 RS 485 Modbus RTU
Học viên: Nguyễn Bình Quân CH Điều khiển và Tự động hóa thay đổi trạng thái đầu vào số, truyền dữ liệu thông tin thay đổi cho người quản lý hệ thống.
Hình 4.8: Hệ thống cảnh báo, thu thập dữ liệu từ xa bằng tin nhắn và cuộc gọi khi tín hiệu trên PLC S7-200 bị tác động.
Như trong hình 4.8 mơ tả tín hiệu thay đổi trạng thái đầu ra của PLC S7-200, Q0.0 sáng đèn khi I0.0 bị tác động. Module GSM thực hiện cuộc gọi khẩn cấp tới số điện thoại người quản lý hệ thống. Đồng thời cũng gửi tin nhắn tới số điện thoại người quản lý bao gồm thông số hiện tại của đầu ra PLC để người quản lý kiểm tra và có hướng xử lý tiếp theo so với từng trường hợp. Trường hợp này minh họa cho mơ hình kết nối với trạm PRU PLC.
Coil 0 Coil 1 Coil 2 Coil 3
Cảnh báo bằng cuộc goi
Cảnh báo bằng tin nhắn
Học viên: Nguyễn Bình Quân CH Điều khiển và Tự động hóa
Hình 4.9: Hệ thống cảnh báo và thu thập dữ liệu từ xa bằng tin nhắn và cuộc gọi khi tín hiệu số trên module bị tác động.
Với tín hiệu số trên Module bị tác động trong hình 4.9, lập tức Module cũng thông báo cuộc gọi khẩn cấp cũng như gửi tin nhắn thơng báo có nội dung”Sensor 1 tác động” tới số điện thoại người quản lý hệ thống. Nội dung bản tin “Sensor 1 tác động” chỉ mơ phỏng tín hiệu đầu vào Module thay đổi. Thực tế module có hỗ trợ đầu vào là tín hiệu tương tự, và tín hiệu số ngõ ra chấp hành. Vì vậy, trường hợp này để minh họa module GSM kết nối với trạm PLC Enric, khơng có bộ điều khiển PLC nhưng vẫn đảm bảo đầy đủ chức năng báo động tại trạm cũng như cảnh báo từ xa.
Cảnh báo bằng cuộc gọi
Cảnh báo bằng tin nhắn
Học viên: Nguyễn Bình Quân CH Điều khiển và Tự động hóa
Hình 4.10: Thay đổi số điện thoại cảnh báo từ số “0937868595” thành số “0906054000”.
Khi người quản lý hệ thống thay đổi số điện thoại cảnh báo thì cần soạn tin nhắn bao gồm mật khẩu, số điện thoại mới như hình 4.10, quá trình xử lý diễn ra trong vịng một phút.
Hình 4.11: Mơ tả q trình nạp tiền tài khoản và kiểm tra vào tài khoản Module Sim từ tin nhắn người quản lý hệ thống.
Quá trình nạp tiền vào TK
Quá trình kiểm tra TK
Học viên: Nguyễn Bình Quân CH Điều khiển và Tự động hóa Quá trình nạp tiền vào tài khoản như hình 4.11 cũng rất đơn giản, khơng cần phải tháo sim rời, chỉ cần soạn tin bao gồm dãy số nạp tiền, mật khẩu. Hệ thống tự động thực hiện nạp tiền vào tài khoản rất nhanh chóng.
Hình 4.12: Thay đổi mật khẩu quản lý Module Sim bằng tin nhắn của người quản lý hệ thống.
Quá trình đổi mật khẩu trong hình 4.12, người quản lý hệ thống chỉ cần thao tác soạn tin nhắn có nội dung mật khẩu mới, mật khẩu cũ tới số điện thoại cảnh báo là có tin nhắn thơng báo q trình thay đổi mật khẩu thành cơng.
4.4. Kết quả.
Đề tài đã đạt được những mục tiêu ban đầu đề ra:
- Tìm hiểu cơng nghệ trạm giảm áp khí nén thiên nhiên CNG. - Tìm hiểu giao thức modbus, vi điều khiển và mạng GSM.
- Đưa ra mơ hình giám sát, cảnh báo từ xa hệ thống vận hành cho 2 loại công nghệ trạm giảm áp: PRU Enric và PRU PLC.
Học viên: Nguyễn Bình Quân CH Điều khiển và Tự động hóa - Xây dựng được Module giám sát và cảnh báo từ xa cho các trạm giảm áp PRU nằm rải rác khắp các tỉnh miền Đơng Nam Bộ với tính năng như sau:
+ Khả năng tích hợp linh hoạt cho 2 loại trạm giảm áp, tiết kiệm chi phí đầu tư. Với trạm PRU Enric thiết lập chương trình báo động áp suất cho trạm khơng có hệ thống điện điều khiển. Với trạm PRU PLC xử lý dữ liệu thông qua giao thức Modbus do PLC S7-200 truyền lên với 10 tín hiệu cảm biến áp suất, rơ le được mã hóa Modbus RTU.
+ Thu thập dữ liệu thông số vân hành và gửi thơng tin cho người quản lý khi có u cầu, giúp cơng việc điều độ, cung cấp khí liên tục cho nhà máy.
+ Cảnh báo khi trạm có báo động về chế độ vận hành: gián đoạn cung cấp khí, rị rỉ khí gas, áp suất các giai đoạn bị quá áp suất cho phép.v.v. Tất cả các thông số báo động trên được gửi về bằng tin nhắn SMS đồng thời thực hiện cuộc gọi khẩn cấp cho người quản lý qua sóng GSM. Từ đó, người quản lý sẽ có thơng tin, xử lý, hướng dẫn từ xa.
+ Kiểm tra, tài khoản sim cũng như cảnh báo khi tài khoản sim xuống dưới mức giới hạn cho phép làm việc. Không cần phải tháo sim, lắp vào máy điện thoại để kiểm tra.
+ Thay đổi số người quản lý để nhận thông tin báo động khi có u cầu, khơng cố định.
- Tuy nhiên, đề tài cũng cịn có một số hạn chế nhất định như:
+ Độ ổn định của Module truyền tin chưa được thử nghiệm trong tất cả các mơi trường cơng nghiệp có điều kiện khắc nghiệt hoặc mơi trường có sóng điện thoại yếu.
+ Chưa có tính năng lưu trữ lịch sử dữ liệu thơng số hoạt động liên tục, mới chỉ thu thập dữ liệu khi có yêu cầu và cảnh báo khi có sự cố xảy ra.
4.5. Hướng phát triển.
- Nếu được đầu tư công sức và nghiên cứu, tơi sẽ cố gắng hồn thiện cả về phần cứng, lẫn phần mềm để hệ thống hoạt động ổn định, độ tin cậy cao, ứng dụng rộng rãi trong công nghệ trạm giảm áp CNG nói riêng cũng như ngành cơng nghiệp khí nói chung.
Học viên: Nguyễn Bình Qn CH Điều khiển và Tự động hóa - Module sẽ truyền dữ liệu liên tục qua web server, thông số hoạt động được cập nhật liên tục lên internet. Qua đó, cơng tác giám sát vận hành từ xa tại trạm PRU cụ thể hóa, cho phép các bộ phận liên quan theo dõi thường xuyên số liệu này, đảm bảo việc điều hành sản xuất được linh hoạt và kịp thời.
Học viên: Nguyễn Bình Quân CH Điều khiển và Tự động hóa KẾT LUẬN
Để hồn thành luận văn tốt nghiệp này, tơi đã được sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của thầy giáo: Tiến Sĩ Hoàng Sỹ Hồng cùng các thầy cô giáo trong bộ môn Kỹ Thuật Đo và Tin Học Công Nghiệp – Viện Điện – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Mặc dù Tơi đã có nhiều cố gắng nhưng do thời gian và kiến thức có hạn nên không thể tránh khỏi những sai lầm và thiếu sót.
Kính mong các thầy, cơ tạo điều kiện và chỉ bảo để tôi nâng cao kiến thức, hồn thiện bản thân, hồn thành cơng việc đang cơng tác.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo: TS. Hồng Sỹ Hồng, người thầy đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi trong q trình hồn thành luận văn. Mơ hình thử nghiệm thành cơng đến ngày hơm nay phụ thuộc rất lớn công lao của thầy từ kiến thức cơ bản Thầy truyền đạt đến cách đặt vấn đề, xử lý vấn đề, vượt qua những khó khăn trong q trình thiết kế, lắp đặt mơ hình.
Học viên: Nguyễn Bình Quân CH Điều khiển và Tự động hóa DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Hồng Minh Sơn (2006), Mạng truyền thơng cơng nghiệp, Nhà xuất bản khoa học
và kỹ thuật.
2. https://www.automation.siemens.com/WW/forum/guests/PostShow.aspx?PageI
ndex=1&PostID=444208&Language=en
3. http://4tech.com.vn/forums/showthread.php/1490-GSM-GPRS-Module-Truyen-
du-lieu-qua-GPRS-Sending-data-over-GPRS-with-AT-commands?s=
4. Hà Đức Phương (2011), Đồ án xây dựng hệ thống thông tin cho nhà máy xử lý
nước thải ứng dụng giao thức modbus và mạng GPRS, Đại học Bách Khoa Hà
Nội.