Thiết kế chi tiết

Phần này tập trung vào việc thiết kế chi tiết các tính năng của PLC đặt tại trạm. Gồm có thiết kế chi tiết về phần cứng và phần mềm.

Thiết kế chi tiết phần cứng gồm có các module về nguồn, module vi xử lý, module IO và module giao tiếp mạng.

Thiết kế chi tiết phần mềm tập trung vào việc thiết kế các module giám sát, cảnh báo, đo đạc các thống số về môi trường, điện áp… Còn các module phần mềm trên trung tâm sẽ không được đề cập đến trong luận văn này.

CPU 24 Digital Input Port 24 Digital Output Port Ethenet Interface

IP Network Monitoring Server

LAN 10 Mbps Temp/Hum measuring device 08 Analog Input Port Ext IO Bus RS 232 Interface Port

Hình 5-32 Sơ đồ khối PLC tại trạm vệ tinh. 5.2.1 Thiết kế phần cứng

Thiết kế chi tiết về phần cứng tham khảo phần phụ lục 1.

5.2.2 Thiết kế phần mềm

5.2.2.1 Chức năng giám sát và điều khiển từ xa

Chức năng giám sát và điều khiển từ xa là một trong những chức năng rất cơ bản của hệ thống. Hệ thống cho phép giám sát từ xa trạng thái hoạt động của tất cả các thiết bị phụ trợ có nối tới hệ thống và các thông số môi trường của phòng máy. Chức năng giám sát từ xa của hệ thống được thực hiện tức thời, liên tục. Các trạng thái hoạt động của thiết bị phụ trợ, trạng thái điều khiển, các thông số môi trường, các thông tin cảnh báo được gửi liên tục, tức thời từ trạm vệ tinh về cơ sở dữ liệu trung tâm, được xử lý và gửi các thông tin cảnh báo tới người sử dụng qua các hệ

thống loa, còi báo động, hình ảnh cảnh báo. Về thực chất, hệ thống cho phép giám sát chi tiết tất cả các cổng vào/ra và điều khiển từ xa đối với các cổng ra điều khiển của thiết bị bộ vi xử lý của các trạm. Hệ thống có các cổng vào/ra như sau trình bày ở dưới đây:

- Cổng vào số 2 trạng thái (DI - Digital Input): cho phép người sử dụng giám sát được một cách định tính đối với các thông tin chỉ có 2 trạng thái đối lập nhau. Ví dụ: có cháy/không có cháy, có điện/mất điện, điều hoà tắt/điều hoà hoạt động, ... Các đầu đo nhiệt độ, độ ẩm, AC, DC, tần số là các đầu đo số, các đầu đo này cũng nối vào các cổng DI cho phép đo các tham số tương ứng. Ví dụ: đo nhiệt độ chính xác trong dải từ 0-50oC, đo độ ẩm chính xác trong dải 0-100%, đo điện áp ăcquy chính xác trong dải 40-60V, ...

- Cổng ra điều khiển 2 trạng thái (DO - Digital Output): đây là cổng để kết nối để bộ vi xử lý gửi tín hiệu điều khiển ON/OFF đến các thiết bị. Đối với các trạm thiết bị viễn thông, thường thì tất cả các thiết bị đều chấp nhận kiểu điều khiển ON/OFF này. Ví dụ: Muốn bật điều hoà thì bộ vi xử lý gửi đến tín hiệu ON, muốn tắt đi thì bộ vi xử lý gửi đến tín hiệu OFF. Muốn khởi động máy phát thì bộ vi xử lý sẽ gửi đến một số tín hiệu điều khiển như: gửi ON đến chân RUN để cấp nguồn từ ăcquy vào máy phát, đồng thời gửi ON đến chân Preheat để sưởi nóng sau đó gửi OFF để tắt Preheat sau 10s, tiếp theo gửi ON đến chân START để khởi động máy và lại OFF chân START xuống sau 2s

Trong hệ thống, có 2 loại cổng vào/ra của bộ vi xử lý dùng để thực hiện giám sát, cảnh báo hoặc điều khiển từ xa (đối với riêng cổng DO), đó là: DI, DO. Để phân biệt được từng cổng, đối với mỗi loại cổng của một bộ vi xử lý, sẽ được đánh số bắt đầu từ 0 và tăng dần lên 1 đơn vị:

- DI-0, DI-1, DI-2... - DO-0, DO-1, DO-2, ...

Việc đánh số này cũng được thể hiện rất rõ ràng khi thực hiện đấu nối các cổng của bộ vi xử lý đến các thiết bị, cảm biến trên thực tế, giúp cho người sử dụng dễ dàng tìm được vị trí đấu nối thực của 1 cổng một khi đã biết chỉ số của cổng.

5.2.2.2 Cổng cảnh báo DI (các cổng cắm thiết bị cảnh báo)

Mỗi giá trị của các cổng vào 2 trạng thái DI được thể hiện bằng chữ và màu sắc tương ứng mà người sử dụng hoàn toàn có thể đặt được. Màu sắc giúp cho người sử dụng có thể nhanh chóng nhận biết được đây là cảnh báo hay không có cảnh báo, nếu là cảnh báo thì là cảnh báo khẩn hay không. Có 4 cấp độ màu sắc:

- Màu nguyên bản (hay không màu): không có cảnh báo - Màu vàng: cảnh báo cấp 1 (không quan trọng lắm) - Màu cam: cảnh báo cấp 2 (quan trọng)

- Màu đỏ: cảnh báo cấp 3 (rất quan trọng)

Khi một cổng DI có thay đổi trạng thái (từ cảnh báo sang xoá cảnh báo hay ngược lại), bộ vi xử lý sẽ gửi tức thời lên trung tâm sự kiện này, gồm các thông tin:

- Thời gian xảy ra sự kiện - Chỉ số cổng DI

- Trạng thái cổng DI (cảnh báo hay xoá cảnh báo)

Phần mềm quản lý hệ thống sẽ bắt lấy sự kiện này và thực hiện chuyển thông tin đến người sử dụng dưới các hình thức như: màu sắc, loa, còi, SMS ...

5.2.3 Cổng đo DI (các cổng cắm thiết bị đo)

Các đầu đo mà hệ thống sử dụng là đầu đo số. Các đầu đo này thực hiện việc đo các thông số về môi trường, điện áp, tần số … rồi gửi về bộ vi xử lý, bộ vi xử lý thực hiện việc đọc các dữ liệu này và quy đổi ra giá trị thực tế và gửi về trung tâm. Ngoài việc đo chính xác các tham số, bộ vi xử lý còn có chức năng tự động gửi tức thời các sự kiện cảnh báo/xoá cảnh báo lên trung tâm khi nó nhận thấy các giá trị đo

được thay đổi qua các mức ngưỡng đặt trước. Việc thiết lập các thông tin cảnh báo cho cổng đo DI gồm có các bước sau:

- Thiết lập điều kiện cảnh báo. Có 4 điều kiện cảnh báo đối với cổng đo DI

o Upper: cảnh báo xảy ra khi giá trị đo được vượt quá một ngưỡng đặt trước

o Lower: cảnh báo xảy ra khi giá trị đo được sụt xuống dưới một ngưỡng đặt trước

o Inband: cảnh báo xảy ra khi giá trị đo được nằm trong 1 dải đặt trước

o OutBand: cảnh báo xảy ra khi giá trị đo được nằm ngoài 1 dải đặt trước - Thiết lập ngưỡng cảnh báo cho từng điều kiện. Đây là giá trị ngưỡng chính xác

mà bộ vi xử lý sẽ thực hiện việc so sánh đối với mỗi điều kiện cảnh báo

- Thiết lập độ rộng biên cảnh báo: Trên thực tế, nếu chỉ có duy nhất 1 mức ngưỡng cảnh báo chính xác để bộ vi xử lý so sánh thì sẽ có thể xảy ra tình huống giá trị đo được sẽ dao động liên tục với biên độ nhỏ xung quanh mức ngưỡng, lúc đó sẽ làm cho bộ vi xử lý liên tục gửi thông tin cảnh báo/xoá cảnh báo lên trung tâm. Để khắc phục vấn đề này, mức ngưỡng cảnh báo để bộ vi xử lý thực hiện so sánh sẽ được mở rộng thêm về cả 2 phía một đại lượng là biên cảnh báo B. Khi có biên cảnh báo B, các điều kiện cảnh báo sẽ được mô tả chính xác như sau:

o Upper:

 Cảnh báo xảy ra khi giá trị đo được > NCB + B

 Xoá cảnh báo khi giá trị đo được < NCB – B

o Lower:

 Cảnh báo xảy ra khi giá trị đo được > NCB + B

 Xoá cảnh báo khi giá trị đo được < NCB – B

 Cảnh báo xảy ra khi giá trị đo được > NCB - B và < NCB + B

 Xoá cảnh báo khi giá trị đo được < NCB - B hoặc > NCB + B

o OutBand:

 Cảnh báo xảy ra khi giá trị đo được < NCB - B hoặc > NCB + B

 Xoá cảnh báo khi giá trị đo được > NCB - B và < NCB + B

- Thiết lập cấp cảnh báo (màu cảnh báo) cho cổng đo DI. Cũng tương tự như cổng cảnh báo DI, người sử dụng có thể gán màu cảnh báo vàng, cam, hoặc đỏ cho từng cổng đo DI tuỳ theo mức quan trọng. Khi một cổng đo DI có sự thay đổi về trạng thái (từ cảnh báo sang xoá cảnh báo hay ngược lại), bộ vi xử lý sẽ gửi tức thời sự kiện này lên trung tâm, gồm các thông tin:

o Thời gian xảy ra sự kiện

o Chỉ số cổng DI

o Trạng thái cổng DI (cảnh báo hay xoá cảnh báo)

o Giá trị chính xác đo được tại thời điểm xảy ra sự kiện

Phần mềm quản lý sẽ bắt lấy sự kiện này và thực hiện chuyển thông tin đến người sử dụng dưới các hình thức như: màu sắc, loa, còi, SMS, …

5.2.3.1 Cổng điều khiển DO

Vì cổng DO là cổng ra để bộ vi xử lý điều khiển các thiết bị mà không phải để gửi các cảnh báo lên trung tâm nên sẽ không cần thiết phải phân ra thành nhiều màu sắc khác nhau mà chỉ cần 2 màu tương ứng với 2 trạng thái ON hay OFF của cổng. - Trạng thái ON sẽ có màu xanh lá cây

- Trạng thái OFF sẽ có màu nguyên bản (không màu)

Khi một cổng DO có sự thay đổi về trạng thái (từ ON sang OFF hay ngược lại), bộ vi xử lý sẽ gửi tức thời sự kiện này lên trung tâm, gồm các thông tin:

- Chỉ số cổng DO

- Giá trị cổng DO (ON hay OFF)

Phần mềm quản lý sẽ bắt lấy sự kiện này và thực hiện chuyển thông tin đến người sử dụng dưới các hình thức như: màu sắc, loa, còi, SMS ...

5.2.3.1.1 Điều khiển từ xa cho 1 cổng DO

Chương trình cho phép người sử dụng thực hiện việc gửi lệnh điều khiển ON hay OFF từ trung tâm đến bộ vi xử lý để thực hiện điều khiển đối với cổng DO.

- Khi nhận lệnh điều khiển ON: Bộ vi xử lý sẽ chuyển trạng thái của cổng DO lên ON. Nếu trước đó, trạng thái cổng vẫn đang là ON thì bộ vi xử lý sẽ bỏ qua lệnh này

- Khi nhận lệnh điều khiển OFF: Bộ vi xử lý sẽ chuyển trạng thái của cổng DO xuống OFF. Nếu trước đó, trạng thái cổng vẫn đang là OFF thì bộ vi xử lý sẽ bỏ qua lệnh này

Đối với một số thiết bị, máy móc chấp nhận các tín hiệu vào điều khiển dạng xung, ví dụ như máy phát, xung Preheat có độ rộng 10s, xung khởi động START có độ rộng 2s, chương trình cho phép người sử dụng định nghĩa được cổng DO có dạng xung và đặt được độ rộng xung là một số nguyên lần của 100ms. Khi người sử dụng gửi một tín hiệu điều khiển ON đến 1 cổng DO dạng xung, bộ vi xử lý sẽ thực hiện chuyển trạng thái của cổng lên ON như thường lệ, chỉ có điều thêm là bộ vi xử lý sẽ tự động điều khiển cổng này OFF xuống sau một khoảng thời gian bằng độ rộng xung đã thiết lập mà không cần người sử dụng gửi lệnh OFF từ trung tâm nữa.

5.2.3.1.2 Điều khiển từ xa tổ hợp đến nhiều cổng DO

Với một số thiết bị điều khiển đơn giản như đèn điện, còi báo động, điều hoà, bộ vi xử lý chỉ cần sử dụng 1 cổng DO để kết nối đến thiết bị là có thể điều khiển được, nhưng với một số thiết bị phức tạp hơn như máy phát, cần kết nối đến nhiều cổng DO (ví dụ: 1 cổng DO cho tín hiệu Preheat, 1 cổng DO cho tín hiệu RUN/STOP và 1 cổng DO cho tín hiệu START). Khi đó, để điều khiển vận hành được thiết bị, bộ

vi xử lý cần phải gửi các tín hiệu điều khiển này đến thiết bị theo cả một quy trình do nhà sản xuất đưa ra chứ không phải chỉ là ON hay OFF một cổng DO duy nhất. Việc gửi các tín hiệu điều khiển DO đến thiết bị theo 1 quy trình đã thiết lập trước, có thể kèm theo các điều kiện về trễ và kết hợp kiểm tra thêm các điều kiện từ các cổng cảnh báo DI, cổng đo DI hay DO khác của bộ vi xử lý được gọi là chức năng "Điều khiển tổ hợp". Khi một nhóm điều khiển tổ hợp đã được thiết lập, người sử dụng chỉ cần gửi một lệnh điều khiển duy nhất đến bộ vi xử lý, bộ vi xử lý sẽ tự động phát ra các tín hiệu điều khiển DO khác (có trong nhóm) theo đúng quy trình đã thiết lập.

Việc thiết lập quy trình điều khiển tổ hợp được hỗ trợ hoàn toàn bởi chức năng "điều khiển tự động theo lưu đồ". Chức năng điều khiển tự động theo lưu đồ đặt trước, đây là chức năng rất quan trọng của hệ thống, để ứng xử các tình huống các khẩn cấp và tức thời của hệ thống.

- Hệ thống thiết lập trước các quy luật điều khiển tự động cho trạm theo tình huống, sự kiện từ tất cả các cổng vào/ra của bộ vi xử lý kèm theo thời gian trễ. - Hệ thống thiết lập trước các quy trình điều khiển tổ hợp.

Như đã mô tả ở trên, tất cả các cổng vào/ra của bộ vi xử lý nhìn chung sẽ có 2 trạng thái:

- Cổng cảnh báo DI, cổng đo DI: có 2 trạng thái là cảnh báo và xoá cảnh báo - Cổng DO: có 2 trạng thái là ON và OFF

Toàn bộ các quy luật điều khiển tự động cho trạm và các quy trình điều khiển tổ hợp của bộ vi xử lý sẽ được xây dựng căn cứ vào các trạng thái này từ các cổng, kèm theo các khoảng thời gian trễ cho mỗi trạng thái, và có thể kèm theo các khoảng thời gian thực trong ngày mà các trạng thái này cần được xét đến.

5.2.3.2 Chức năng đo và cảnh báo

 Đo đạc chính xác giá trị các thông số môi trường phòng máy: Nhiệt độ, độ ẩm

 Đo đạc chính xác giá trị các thông số điện của trạm : Điện áp AC/DC tần số máy phát

 Cảnh báo khi các tham số về môi trường không nằm trong giải cho phép

 Các cảnh báo môi trường : Cảnh báo quá nhiệt, cảnh báo ngập nước

 Cảnh báo sự cố điện : Mất pha, quá áp, sụt áp

 Cảnh báo cháy nổ : Có khói, có lửa, nhiệt độ gia tăng đột ngột

 Các cảnh báo đột nhập : Cửa mở, có chuyển động trong phòng, kính vỡ

 Trạng thái của từng điều hòa: Trạng thái bật/tắt, chảy nước

 Tình trạng của máy phát: Trạng thái bật/tắt

- Cho phép giám sát tức thời trạng thái của các tín hiệu điều khiển để điều khiển các thiết bị như máy phát, ATS, điều hòa, còi báo ,..Trên màn hình giám sát, trạng thái của tín hiệu điều khiển cũng được thể hiện bằng màu sắc để dễ nhận biết

- Cho phép giám sát thời gian thực hình ảnh và âm thanh quay được qua hệ thống camera. Cho phép giám sát đồng thời 20 camera

- Các cảnh báo được phân cấp theo mức độ quan trọng: Bình thường, lưu ý và khẩn. Các cấp cảnh báo này có thể được gán linh hoạt cho từng tình huống cụ thể

5.2.3.3 Chức năng điều khiển tự động

- Hệ thống vi điều khiển tại trạm phải hỗ trợ các chế độ điều khiển tự động theo các qui luật điều khiển được nạp trước, vẫn đảm bảo vận hành khi mất đường truyền trung tâm

- Tự động điều khiển các điều hòa hoạt động luân phiên và tăng cường khi quá nhiệt

- Tự động điều khiển máy phát và chuyển pha khi mất điện/ có điện - Tự động nạp ắcqui máy phát khi ắcqui máy phát yếu

- Tự động rú còi khi có sự cố cháy nổ đột nhập vào giờ giới nghiêm

- Tự động bật đèn và quay camera để lưu hình tại trung tâm khi có cảnh báo đột nhập

- Các qui luật điều khiển

 Tự động điều khiển điều hòa: Hệ thống vi điều khiển tại trạm cho phép từ trung tâm thiết lập các qui luật điều khiển điều hòa: