3.2.1. Thiết bị giỏm sỏt và điều khiển MCE
Đối với nhà trạm Viễn thụng (khụng ngƣời trực), cú rất nhiều thụng tin cần giỏm sỏt từ xa: chỏy nổ, cửa mở, kớnh vỡ, nguồn, ăcquy, điều hoà, mỏy nổ, dũng điện, điện ỏp, ... Và một số thiết bị cần điều khiển từ xa và điều khiển tự động nhƣ: điều hoà, mỏy nổ, ATS, mỏy nạp ăcquy, hệ thống đốn chiếu sỏng, ... Trong tƣơng lai, vẫn cũn cú thể phỏt sinh thờm cỏc nhu cầu giỏm sỏt và điều khiển khỏc nữa để hỗ trợ cho việc quản lý từ xa đạt hiệu quả cao hơn.
Nhƣ đó kờ ở trờn, nhu cầu giỏm sỏt và điều khiển là rất đa dạng và cú thể khỏc nhau tuỳ theo quy mụ và cấu hỡnh thiết bị của từng trạm, vỡ vậy cần tỡm đƣợc một thiết bị MCE cú đủ độ linh hoạt và cú tớnh mở rộng tốt để đỏp ứng tất cả cỏc nhu cầu giỏm sỏt và điều khiển của trạm kể cả trong hiện tại và tƣơng lai, đồng thời phải hoạt động bền bỉ và tin cậy.
Căn cứ vào cỏc nhu cầu thực tế nhƣ trờn, tụi nghiờn cứu sản phẩm MCE dựa trờn nền phần cứng điều khiển logic lập trỡnh (PLC-Programmable Logic Controller) của hóng Siemens.
PLC thực chất là một thiết bị đƣợc cỏc hóng sản xuất nổi tiếng trong lĩnh vực tự động hoỏ (bao gồm Siemens, Omron, Mitsubishi, Honeywell, Allen- Bradley...) sản xuất ra để thực hiện việc giỏm sỏt và điều khiển tự động trong mụi trƣờng cụng nghiệp, vỡ vậy độ bền của PLC là khụng cần bàn cói.
PLC cú cấu trỳc nhỏ gọn, hỗ trợ nhiều cổng cú cỏc kiểu giao diện điện khỏc nhau cho phộp kết nối đến tất cả cỏc chủng loại cảm biến (sensor) và cỏc thiết bị điều khiển cú trờn thị trƣờng. Khả năng mở rộng số lƣợng cổng giao tiếp của PLC là rất tốt, chỉ cần lắp thờm cỏc modul I/O mở rộng nối tiếp nhau dƣới dạng chuỗi là xong. Tổng số lƣợng cổng giao tiếp đƣợc mở rộng cú thể lờn đến hàng trăm, thậm chớ hàng ngàn tuỳ theo từng loại PLC.
Dƣới đõy sẽ mụ tả thiết bị PLC đƣợc sử dụng cho hệ thống IMS phục vụ thớch hợp nhất để giỏm sỏt điều khiển từ xa cho cỏc nhà trạm Viễn thụng (khụng ngƣời trực).
- Cổng DI (Digital Input):
Cổng DI chấp nhận 2 mức tớn hiệu điện: 24V tƣơng đƣơng logic "1" và 0V tƣơng đƣơng logic "0". Việc đấu nối đầu ra tiếp điểm của cỏc cảm biến đến cổng DI rất đơn giản nhƣ sau:
MC - Server MC - P Cỏc cổng DI (Digital Input) Cỏc cổng AI (Analog Input) Cỏc cổng DO (Digital Output) PLC DIs AIs DOs . . . . . . . . . . . . . . . Cỏc cảm biến cú đầu ra dạng tiếp điểm (kh chỏy...)
Cỏc cảm biến đo giỏ trị chớnh xỏc cú đầu ra dạng tớn hiệu tƣơng tự (đầu đo nhiệt độ, độ ẩm, điện ỏp, dũng điện...) Cỏc thiết bị điều khiển bằng điện (mỏy nổ, điều hũa, ATS...)
Trong trƣờng hợp muốn tiết kiệm số cổng DI sử dụng của PLC và khụng cần thiết phõn biệt chớnh xỏc từng sensor chỳng ta cú thể thực hiện việc đấu nối song song cỏc sensor cú đầu ra tiếp điểm thƣờng mở (N.O.) hoặc đấu nối tiếp cỏc sensor cú đầu ra tiếp điểm thƣờng đúng (N.C.) rồi đƣa vào 1 cổng DI duy nhất nhƣ hỡnh dƣới đõy:
- Cổng AI (Analog Input):
Cổng AI của PLC chấp nhận 2 kiểu tớn hiệu điện tƣơng tự đƣa đến: Kiểu dũng: chấp nhận dũng điện vào trong khoảng từ 0-20mA. Kiểu ỏp: chấp nhận điện ỏp vào trong khoảng từ 0-5V.
Khi nối với cảm biến cú đầu ra kiểu dũng, PLC đúng vai trũ nhƣ một Ampe kế.
Khi nối với cảm biến cú đầu ra kiểu ỏp, PLC đúng vai trũ nhƣ một Vụn kế.
PLC thực hiện việc chuyển đổi tƣơng tự sang số (A/D) để chuyển cỏc tớn hiệu điện sang dạng số nguyờn trong dải 0-32767 một cỏch tuyến tớnh để truyền về trung tõm (qua giao thức MC-P).
Hỡnh 3.3. Nguyờn tắc đấu nối cỏc cổng DI
PLC
24V
Cổng DI Cảm biến (sensor)
Hỡnh 3.4. Nguyờn tắc đấu nối tiếp, song song cỏc cổng DI
PLC Tiếp điểm thƣờng mở Cổng DI 24V DC PLC Tiếp điểm thƣờng đúng Cổng DI 24V DC
Cỏc nhà cung cấp cảm biến đo giỏ trị chớnh xỏc đều cú hỗ trợ cổng ra 4- 20mA hoặc 0-5V để tƣơng thớch với tất cả cỏc loại PLC khỏc nhau. Núi chung việc chuyển đổi giỏ trị đo sang tớn hiệu điện tƣơng tự của đầu ra cảm biến đều là tuyến tớnh trờn toàn dải đo của cảm biến. Vớ dụ: đầu đo nhiệt độ cho dải từ 0- 50oC cho ra dũng 4-20mA sẽ cú đặc tuyến chuyển đổi tuyến tớnh nhƣ hỡnh dƣới đõy:
Khi trung tõm nhận đƣợc giỏ trị số hoỏ mà PLC gửi lờn, căn cứ theo đặc tuyến trờn, sẽ cú thể tớnh ngƣợc lại giỏ trị thực mà cảm biến đo đƣợc. Theo cỏch này, hệ thống cú khả năng đo đƣợc tất cả cỏc giỏ trị khỏc của trạm nhƣ dũng điện, điện ỏp, tần số, ... miễn là phải cú đƣợc cảm biến thớch hợp.
- Cổng DO (Digital Output):
Mỗi cổng ra DO của PLC ứng với một cặp tiếp điểm kiểu N.O.
Ngƣời lập trỡnh PLC cú thể lập trỡnh để điều khiển đúng (ứng với logic 1 của DO) hay mở (ứng với logic 0 của DO) cặp tiếp điểm này. Thụng qua cặp tiếp điểm DO và cú thể qua một vài rơle trung gian, điện ỏp điều khiển bất kỳ cú thể đƣợc gửi đến để điều khiển thiết bị với cụng suất mong muốn. Qua rơle, thực hiện đƣợc việc phõn cỏch hoàn toàn về điện giữa PLC và thiết bị cần điều khiển, do đú bảo vệ đƣợc PLC. Dƣới đõy là hỡnh vẽ mụ tả cỏch thức đấu nối để gửi 1 điện ỏp điều khiển Vdk đến thiết bị, Vdk cú thể là điện ỏp 1 chiều hoặc xoay chiều.
Hỡnh 3.5. Đặc tuyến chuyển đổi tuyến tớnh cỏc cổng AI
Nhiệt độ
0
Dũng điện /giỏ trị số húa của PLC
20mA/32767
00C 4mA/6553
500C
Hỡnh 3.6. Gửi điện ỏp điều khiển Vdk đến thiết bị
PLC 24V DC V1 Vdk Cổng DO Thiết bị
Theo cỏch này, PLC cú khả năng điều khiển đƣợc tất cả cỏc thiết bị cú giao tiếp điều khiển bằng điện ỏp cố định nhƣ: mỏy nổ, điều hoà, ATS, đốn chiếu sỏng, cũi bỏo động, ... là cỏc thiết bị cần kết nối trong nhà trạm khụng ngƣời của Viễn thụng.
Lập trỡnh PLC:
Để PLC đỏp ứng đƣợc tất cả cỏc tớnh năng cần thiết cho việc giỏm sỏt và điều khiển cỏc nhu cầu đó đặt ra, cụng việc quan trọng nhất là phải tiến hành lập trỡnh cho PLC. Chƣơng trỡnh điều khiển nạp vào PLC phải đỏp ứng đƣợc cỏc nhúm chức năng cơ bản sau:
- Giao tiếp với trung tõm qua một giao thức xỏc định trƣớc (chớnh là giao thức MC-P giữa MCE và MC-Server nhƣ đó mụ tả ở trờn) để nạp cấu hỡnh cho PLC và điều khiển từ xa.
- Tự động gửi sự kiện cảnh bỏo/xoỏ cảnh bỏo lờn trung tõm ở tất cả cỏc cổng DI và AI. Hỡnh 3.7. Mụ tả giao thức MC-P PLC Trung tõm Phỳc đỏp ( 1 ) ( 2 ) Điều khiển từ xa ( 4 ) ( 6 ) ( 7 ) Gửi định kỳ ID của trạm ( 8 ) Đặt thời gian thực ( 3 ) Đọc cỏc giỏ trị từ cỏc cổng ( 5 )
Nạp cấu hỡnh cỏc cổng DI, AI, DO
Nạp cỏc lưu đồ điều khiển tự động Phỳc đỏp
Phỳc đỏp
Phỳc đỏp
Phỳc đỏp
Sự kiện cảnh bỏo/xúa cảnh bỏo từ cỏc cổng DI, AI
- Hỗ trợ chức năng điều khiển tự động và điều khiển từ xa theo cấu hỡnh đó đƣợc nạp.
Giao thức MC-P bao gồm cỏc luồng thụng tin trao đổi qua lại giữa PLC và trung tõm và đƣợc phõn nhúm và mụ tả nhƣ hỡnh 3.7:
Nhúm 1: Nạp cấu hỡnh cỏc cổng DI, AI, DO
Luồng thụng tin trao đổi 2 chiều để nạp cấu hỡnh cỏc cổng từ xa cho PLC, mỗi gúi tin gửi từ trung tõm cần cú một gúi tin phỳc đỏp. Thụng tin nạp cấu hỡnh cỏc cổng của PLC bao gồm:
- Định nghĩa cỏc cổng sử dụng của PLC.
- Ngƣỡng cảnh bỏo cho từng cổng DI hoặc AI.
- Định nghĩa cổng DO là dạng duy trỡ hay xung, nếu là dạng xung, đặt độ rộng xung cần thiết.
Nhúm 2: Nạp cỏc lưu đồ điều khiển tự động
Nhúm này dựng để thiết lập cỏc quy trỡnh điều khiển tự động đối với cỏc thiết bị nhƣ mỏy nổ, ATS, điều hoà, đốn chiếu sỏng, ... căn cứ theo cỏc tổ hợp sự kiện kốm theo cỏc độ trễ thời gian đối với từng sự kiện lấy từ cỏc cổng của PLC theo đỳng yờu cầu vận hành của ngƣời sử dụng. Cỏc "mạch điều khiển" này đó đƣợc thiết kế để cú thể đỏp ứng đƣợc bất cứ một nhu cầu điều khiển tự động nào của nhà trạm với số lƣợng và chủng loại thiết bị cần điều khiển là khụng hạn chế.
Nhúm này cũn bao gồm cỏc thụng tin nạp cấu hỡnh cho việc điều khiển tự động định kỳ theo thời gian (vớ dụ nhƣ nạp ăcquy mỏy nổ định kỳ hay phõn lịch hoạt động của từng điều hoà).
Mỗi gúi tin nạp cấu hỡnh gửi từ trung tõm cũng cú một phỳc đỏp tƣơng ứng từ PLC.
Nhúm 3: Đặt thời gian thực
Thụng tin đặt thời gian thực gửi từ trung tõm bao gồm ngày, thỏng, năm, giờ, phỳt, giõy để đồng bộ đồng hồ thời gian của PLC với trung tõm.
Mỗi gúi tin đặt thời gian thực cú một phỳc đỏp tƣơng ứng từ PLC
Nhúm 4: Điều khiển từ xa
Nhúm này đƣợc sử dụng để trung tõm thực hiện việc điều khiển từ xa đối với cỏc thiết bị điều khiển tại nhà trạm, vớ dụ nhƣ: đề/tắt mỏy nổ, bật/tắt điều hoà, bật/tắt đốn điện, ...
Nhờ cú cỏc lƣu đồ điều khiển nhƣ đó mụ tả ở nhúm 2, việc điều khiển vận hành thiết bị theo một quy trỡnh phức tạp vẫn cú thể thực hiện đƣợc một cỏch
đơn giản. Nhờ cỏc lƣu đồ thớch hợp, chỉ cần một lệnh điều khiển bật hoặc tắt một cổng DO từ trung tõm là cú thể vận hành đƣợc một loạt cỏc thiết bị ở nhà trạm theo đỳng một quy trỡnh mong muốn bằng cỏch liờn kết tất cả cỏc tớn hiệu lấy từ cỏc cổng của PLC vào cỏc lƣu đồ thớch hợp.
Mỗi gúi tin điều khiển từ xa cũng cú một gúi tin phỳc đỏp tƣơng ứng từ PLC.
Nhúm 5: Đọc sự kiện từ cỏc cổng
Đõy là cỏc gúi tin gửi từ trung tõm yờu cầu PLC gửi trả lại cỏc trạng thỏi, giỏ trị của tất cả cỏc cổng mà nú đó đƣợc cấu hỡnh.
Nhúm 6: Sự kiện cảnh bỏo/xoỏ cảnh bỏo từ cỏc cổng DI, AI
Đõy là cỏc gúi tin đƣợc tự động gửi đi từ PLC một cỏch tức thời khi một cổng DI (tất nhiờn cổng này phải nằm trong danh sỏch cỏc cổng sử dụng đƣợc nạp từ trung tõm theo nhúm 1) thay đổi giỏ trị từ 0 lờn 1 hoặc từ 1 về 0, hoặc khi giỏ trị chớnh xỏc đo đƣợc từ cổng AI thay đổi từ miền khụng cảnh bỏo sang miền cảnh bỏo và ngƣợc lại. Khi gửi sự kiện lờn trung tõm, PLC sẽ gửi kốm theo giỏ trị thời gian thực tại thời điểm xảy ra sự kiện.
Nhúm 7: Sự kiện ON/OFF của cỏc cổng DO
Khi một cổng DO thay đổi trạng thỏi từ OFF lờn ON (sƣờn lờn của tớn hiệu điều khiển) hoặc từ ON xuống OFF (sƣờn xuống của tớn hiệu điều khiển), PLC cũng gửi tức thời lờn trung tõm nội dung của sự kiện này kốm theo giỏ trị thời gian tại thời điểm xảy ra sự kiện.
Nhúm 8: Gửi định kỳ ID của trạm
Khi triển khai nhiều trạm PLC, mỗi PLC đƣợc đặt riờng 1 chỉ số ID duy nhất để phõn biệt với cỏc trạm khỏc. Thụng tin về ID của PLC đƣợc định kỳ gửi lờn trung tõm để xỏc nhận PLC vẫn đang hoạt động tốt.
Cỏc nhúm 6, 7, 8 là cỏc thụng tin chỉ đƣợc gửi đi khi cần thiết cho nờn khi ở trạng thỏi chờ, lƣu lƣợng thụng tin chuyển từ PLC lờn trung tõm là rất nhỏ, vỡ vậy giỳp cho trung tõm cú khả năng quản lý đồng thời hàng trăm đến hàng ngàn PLC trờn mạng mà khụng bị quỏ tải.
3.2.2. Cỏc cảm biến và thiết bị kết nối với PLC
3.2.2.1. Tủ ATS (Atomatic Transfer Syster)
Cú thể núi, trong việc điều khiển tự động của nhà trạm Viễn thụng (khụng ngƣời), phần nguồn đúng vai trũ quan trọng hàng đầu, trong đú ATS và hệ thống cỏc mạch điều khiển mỏy nổ phải hoạt động chớnh xỏc và tin cậy, cỏc thiết bị đều phải cú độ bền cao và dƣ thừa khả năng chịu dũng, riờng phần
chuyển đổi nguồn của tủ ATS giữa nguồn mỏy nổ và nguồn điện lƣới phải cú liờn động cơ khớ đề phũng chập lƣới vào mỏy nổ.
Khi đƣợc tớch hợp vào hệ thống giỏm sỏt điều khiển từ xa, hệ thống ATS và cỏc mạch điều khiển mỏy nổ ngoài khả năng vận hành tự động độc lập (chế độ Auto), cần phải cú thờm chế độ vận hành từ xa (chế độ Remote) và chế độ nhõn cụng hoàn toàn (chế độ Manual), cú nhƣ vậy hệ thống mới cú khả năng dự phũng cao, giảm thiểu rủi ro đƣợc tối đa.
- Chế độ Auto: ATS và cỏc mạch điều khiển mỏy nổ cú thể hoạt động tự động độc lập hoàn toàn với PLC.
- Chế độ Remote: ATS và cỏc mạch điều khiển mỏy nổ bị cắt khỏi cỏc mạch điều khiển độc lập ở chế độ Auto, chuyển sang hệ thống mạch điều khiển khỏc hoạt động tuõn theo sự điều khiển từ PLC. Ở chế độ này, PLC cú thể tự động điều khiển ATS và mỏy nổ theo hệ thống cỏc lƣu đồ đó đƣợc nạp hoặc cho phộp ngƣời sử dụng vận hành từ xa từ trung tõm giỏm sỏt.
Nhờ cỏc lƣu đồ điều khiển thớch hợp, PLC cú thể tự động chuyển ATS từ chế độ Auto sang chế độ Remote nếu nhƣ cú một hỏng húc nào đú trong một cơ
Hỡnh 3.9. Sơ đồ mụ tả khả năng dự phũng và chuyển đổi giữa 2 chế độ Auto và Remote
Hỡnh 3.8. Vị trớ của ATS
ATS
K1
K2
Hệ thống mạch điều khiển ATS và mỏy nổ cho chế độ Auto Mỏy nổ PLC Cơ cấu chuyển điện của ATS Hệ thống mạch điều khiển ATS và mỏy nổ cho chế độ Remote
cấu chấp hành của chế độ Auto làm cho chế độ này khụng tự vận hành đƣợc đỳng.
- Chế độ Manual: Ngƣời sử dụng tại hiện trƣờng cú thể chuyển ATS sang chế độ Manual để vận hành hệ thống hoàn toàn bằng tay. Khi đú 2 hệ thống mạch điều khiển cho chế độ Auto và Remote bị cỏch li hoàn toàn.
Ngoài chức năng chuyển điện, ATS cũn hỗ trợ thờm chức năng cắt điện từ xa hoàn toàn vào tải (vớ dụ trong trƣờng hợp ngƣời giỏm sỏt thấy cú chỏy nổ tại trạm).
Tủ ATS đƣợc thiết kế để tớch hợp thờm một số cỏc thiết bị, đầu đo, mạch điện để hỗ trợ giỏm sỏt từ xa cho hệ thống IMS, đú là:
- Thiết bị cảnh bỏo cho điện 3 pha: phỏt hiện và gửi cảnh bỏo kiểu tiếp điểm đến PLC khi cú cỏc sự cố nhƣ mất pha, đảo pha, quỏ ỏp, sụt ỏp.
- Thiết bị bỏo mất điện một pha: đƣợc dựng đến nếu trạm sử dụng điện 1 pha
- Thiết bị bỏo trạng thỏi mỏy nổ: bỏo đến PLC bằng tiếp điểm khi mỏy nổ tắt hoặc chạy.
- Thiết bị bỏo mất điện tải: bỏo đến PLC bằng tiếp điểm khi cú hoặc mất điện AC cấp ra tải (thƣờng sử dụng cho pha chớnh vào tổng đài nếu điện sử dụng là 3 pha). Hỡnh 3.10. Mặt mỏy tủ ATS K1 K2 Đo điện ỏp pha Dũng pha 1 Dũng pha 2 Tần số mỏy nổ Chọn chế độ (Chỉ ở chế độ Manual) Đồng hồ kim Đồng hồ số Lƣới 500 700
Lƣới Mỏy nổ Remote Đốn bỏo
Chuyển mạch Vụn
Dũng pha 3
3 pha Cắt Mỏy nổ Auto Manual
K1 K2
Chuyển điện Phỏt hiện sự cố
- Đồng hồ điện tử đo dũng: gửi giỏ trị dũng 4-20mA đến PLC để đo dũng điện AC 1 pha. Cú thể lựa chọn dải đo 0A-100A hoặc lớn hơn tuỳ theo cụng suất của tải trờn thực tế. Cú màn hỡnh LED hiển thị dũng điện đo đƣợc.
- Đồng hồ điện tử đo tần số mỏy nổ: gửi giỏ trị dũng 4-20mA đến PLC để