Nghiên cứu, chế tạo bộ điều khiển đa năng dựa trên vi điều khiển 16 bit cho các ứng dụng công nghiệp

Bộ công thơng
viện nghiên cứu điện tử, tự động, tin học hóa







Báo cáo tổng kết đề tài cấp bộ năm 2007

nghiên cứu, chế tạo bộ điều khiển đa năng
dựa trên vi điều khiển 16 bit
cho các ứng dụng công nghiệp


Chủ nhiệm đề tài: Trịnh hải thái

6936
04/8/2008

hà nội - 2007



BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NC ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA
— – ˜ & ™ — –





BÁO CÁO
KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NCKH VÀ PTCN
CẤP BỘ NĂM 2007

Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG DỰA TRÊN
VI ĐIỀU KHIỂN 16 BIT CHO CÁC ỨNG DỤNG CÔNG NGHIỆP

(Mã số: 139.07RD/HĐ-KHCN)

Chủ nhiệm đề tài:
ThS. Trịnh Hải Thái
Đơn vị chủ trì:
Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
Các cơ quan phối hợp chính:
Công ty CP Bia Thanh Hoá, Hà Nội-Hải Dương,















Hà Nội – 12/2007

DANH SÁCH CÁN BỘ THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

STT Họ và tên
Đơn vị công tác
1 Trịnh Hải Thái Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
2 Trần Văn Tuấn Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
3 Nguyễn Tuấn Nam Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa

4 Tạ Văn Nam Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
5 Đinh Đức Chính Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
6 Phạm Chí Công Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
7 Nguyễn Thị Hương Lan Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
8 Phạm Thùy Dung Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
9 Bùi Đức Thắng Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
10 Phạm Hùng Cường Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
















2
MỤC LỤC
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG 4
1. Cơ sở pháp lý/ xuất xứ của đề tài 4
2. Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài 4
2.1. Tính cấp thiết 4
2.2. Mục tiêu nghiên cứu 4

3. Đối tượng/phạm vi và nội dung nghiên cứu 5
3.1. Đối tượng nghiên cứu 5
3.2. Nội dung nghiên cứu 5
4. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước 6
5. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước 6
5.1. Tổng quan 6
5.2. Giới thiệu các bộ điều khiển đa năng của nước ngoài 7
5.3. Các ứng dụng điều khiển tiêu biểu 13
6. Khảo sát thực tế trong nước 15
7. Một số công trình đã thi công sử dụng bộ điều khiển đa năng 17
8. Tổng kết về bộ điều khiển đa năng 18
Chương 2 - THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN 19
1. Tổng quan về thiết kế 19
2. Thiết kế chế tạo phần cứng 20
2.1. Sơ đồ thiết kế tổng thể phần cứng 20
2.2. Yêu cầu đối với linh kiện, thiết bị 20
2.3. Module xử lý trung tâm 22
2.4. Module vào/ ra số và PWM 23
2.5. Module vào/ ra tương tự 24
2.6. Module hiển thị và bàn phím 25
2.7. Module truyền thông RS232/RS485 25
2.8. Module nguồn 26
2.9. Module truyền thông Ethernet 26
2.10. Thiết kế các module đầu vào tương tự cho cảm biến RTD, TC 30
2.11. Module pH transmitter 32
3. Xây dựng phần mềm trên bộ điều khiển 43
3.1. Thiết kế giao diện tương tác 43
3.2. Xây dựng các hàm toán học 46
3.3. Xây dựng các hàm logic 48
3.4. Xây dựng hàm PID tự chỉnh 49

3.5. Xây dựng chức năng điều khiển 55
3.6. Xây dựng chức năng lưu trữ 61
3.7. Xây dựng chức năng cảnh báo/báo động 62
3.8. Xây dựng chức năng truyền thông Ethernet 63
3.9. Xây dựng chức năng truyền thông RS232/RS485 68
3.10. Hoạt động của bộ điều khiển 69
4. Xây dựng hệ SCADA trên cơ sở bộ điều khiển đa năng 74
4.1. Mạng truyền thông trong hệ SCADA 74
4.2. Giao thức truyền thông 75
4.3. Xây dựng phần mềm SCADA 83
Chương 3 - THỬ NGHIỆM 94
1. Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm 94
2. Thử nghiệm thực tế 97
KẾT LUẬN 104
LỜI CÁM ƠN 104


3
TÀI LIỆU THAM KHẢO 105
1. Tiếng Việt 105
2. Tiếng Anh 105
PHỤ LỤC 106

4
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG
1. Cơ sở pháp lý/ xuất xứ của đề tài
Đề tài “Nghiên cứu, chế tạo bộ điều khiển đa năng dựa trên vi điều khiển 16 bit cho các
ứng dụng công nghiệp” được thực hiện theo:
Hợp đồng nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ số 04-16RD/BCN-KHCN giữa
Bộ Công nghiệp (Bên A) và Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hoá (Bên B) ký
ngày 26 tháng 01 năm 2006
và
Hợp đồng nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ số 139.07RD/HĐ-KHCN giữa
Bộ Công nghiệp, nay là Bộ Công Thương (Bên A) và Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học,
Tự động hoá (Bên B) ký ngày 06 tháng 02 năm 2007.

2. Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài
2.1. Tính cấp thiết
Bộ điều khiển đa năng hiện đang được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công
nghiệp như điều khiển nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, pH, vì có các ưu điểm: nhỏ gọn
(ngày càng nhỏ hơn theo sự phát triển của công nghệ sản xuất chip); cho phép giảm
đáng kể thời gian thiết kế, thi công công trình tự động hoá; có nhiều chức năng cài đặt
sẵn dễ sử dụng; mức độ thông minh, bộ nhớ ngày càng cao; hỗ trợ nhiều chuẩn truyền
thông quốc tế nên dễ mở rộng hệ thống; tích hợp sẵn tính năng điều khiển (từ đơn
giản cho tới phức tạp) phù hợp cho nhiều đối tượng điều khiển trong công nghiệp.
(Các ưu điểm sẽ được phân tích sâu hơn trong các mục sau)
Tại Việt Nam hầu hết các bộ điều khiển đa năng đều do nước ngoài cung cấp với giá
thành cao, do vậy việc nghiên cứu thiết kế chế tạo, tiến tới sản xuất các thiết bị này
trong nước là cần thiết nhằm làm chủ công nghệ sản xuất, giảm giá thành sản phẩm,
góp phần tạo ra các sản phẩm điện tử có khả năng cạnh tranh trong giai đoạn gia nhập
WTO.
2.2. Mục tiêu nghiên cứu

Năm 2006, đề tài đặt ra các mục tiêu sau:
§ Nghiên cứu, làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo bộ điều khiển đa năng có giá
thành hạ cho các ứng dụng trong công nghiệp tại Việt Nam, có khả năng thay
thế các thiết bị ngoại nhập có cùng tính năng.
§ Làm cơ sở để tiếp tục nghiên cứu các công nghệ vi điều khiển tiên tiến hơn
trong tương lai để nâng cao chất lượng và phạm vi ứng dụng của bộ điều
khiển.

Năm 2007, đề tài đặt ra các mục tiêu sau:
§ Hoàn thiện và mở rộng chức năng cho bộ điều khiển đa năng trên cơ sở kết quả
nghiên cứu của giai đoạn I, đáp ứng yêu cầu thực tế.
§ Xây dựng mạng truyền thông trên cơ sở bộ điều khiển đa năng ứng dụng trong
các hệ SCADA.


5
3. Đối tượng/phạm vi và nội dung nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Khái niệm : Hiện nay chưa thấy có một định nghĩa chuẩn nào về bộ điều khiển đa
năng, tuy nhiên hãng Honeywell đưa ra dòng sản phẩm - UDC (UNIVERSAL
DIGITAL CONTROLLERS) có các tính năng tương tự các bộ điều khiển của nhiều
hãng nổi tiếng như Siemens - SIPART, Burkert - DIC(Digital Industrial Controller),
OMRON - DC(Digital Controller), ABB (Advanced Process Controller), Có thể
phân biệt bộ điều khiển đa năng bằng một số đặc điểm đặc trưng sau:
§ Được xây dựng trên nền tảng các phương pháp điều khiển thông thường và
hiện đại (điều khiển PID, điều khiển fuzzy, điều khiển thích nghi, ), do vậy
có thể áp dụng cho nhiều các bài toán điều khiển (tính đa năng): sử dụng nhiều
nhất trong điều khiển quá trình (process control).
§ Người sử dụng xây dựng chương trình điều khiển bằng phương pháp cấu hình
cấu trúc bộ điều khiển dựa trên cơ sở các khối hàm chuẩn dựng sẵn, do vậy

không đòi hỏi lập trình bằng ngôn ngữ (tất nhiên người sử dụng phải là chuyên
gia tích hợp hệ thống chứ không phải end-user). Các khối hàm chuẩn là những
hàm rất hay sử dụng trong điều khiển các quá trình công nghiệp như: lọc
(filter), chống nhiễu (pulse suppress), scaling, PID, nhận dạng, các hàm toán
học, hàm logic,
§ Một bộ điều khiển đa năng thường được sử dụng cho điều khiển cục bộ, tương
đối độc lập (liên động ít) một hay vài khâu quy mô nhỏ trong hệ thống tự động
hoá. Đối với những hệ thống lớn, người ta thường sử dụng bộ điều khiển đa
năng kết hợp với PLC.
§ Có khả năng kết nối mạng theo các giao thức truyền thông mở (các giao thức
trên cơ sở RS485, RS232, Ethernet, ), do vậy có thể mở rộng, tích hợp hệ
thống dễ dàng.
§ Ngoài ra một xu thế đã khá phổ biến là tích hợp luôn tính năng của transmitter
vào bộ điều khiển.
3.2. Nội dung nghiên cứu
Năm 2006, đề tài đã thực hiện các nội dung sau:
§ Nghiên cứu, thiết kế chế tạo phiên bản I bộ điều khiển đa năng. Kết quả là đã
tạo ra sản phẩm UDC.01 với các tính năng cơ bản như: điều khiển PID, truyền
thông trên cơ sở RS485/RS232, vào/ra chuẩn, cấu hình từ xa (đặt cấu hình từ
máy tính qua mạng RS232)
§ Thử nghiệm bộ điều khiển trong thực tế cho ứng dụng điều khiển độ cứng và
pH của hệ thống lọc nước. Bộ điều khiển đã điều khiển chính xác (tương
đương với bộ điều khiển SC100 của HACH về độ chính xác) và có đánh giá tốt
của cơ sở sản xuất.
Năm 2007, đề tài đăng ký nội dung nghiên cứu sau:
§ Hoàn thiện và mở rộng chức năng của bộ điều khiển bao gồm: tính toán toán
học, thiết kế chế tạo module vào/ra cắm thêm; thiết kế chế tạo module khuyếch
đại tín hiệu RTD, TC và pH; xây dựng bộ lọc; xây dựng chức năng PID tự
chỉnh; xây dựng chức năng truyền thông theo chuẩn Ethernet.

6
§ Xây dựng hệ SCADA trên cơ sở bộ điều khiển đa năng bao gồm: mạng
Ethernet kết nối các bộ điều khiển đa năng và máy tính, phần mềm SCADA
trên PC phục vụ giám sát, cấu hình từ xa. Giao thức truyền thông sử dụng
TCP/IP.
§ Thử nghiệm và đánh giá kết quả.

4. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước
Việc thiết kế chế tạo các bộ điều khiển trong công nghiệp nói chung không phải là
mới tại Việt Nam, tuy nhiên hầu hết các bộ điều khiển đều hướng vào một phạm vi rất
hẹp các ứng dụng (chủ yếu là giám sát điều khiển nhiệt độ) nên thường có cấu trúc cố
định và ít tính năng. Độ mềm dẻo không cao, đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về lập
trình, tốn nhiều thời gian, công sức cho thiết kế chế tạo để đáp ứng những yêu cầu
mới của công nghệ đã khiến các bộ điều khiển này khó thích nghi được trong nhiều
trường hợp thực tế. Mặt khác nhiều bộ điều khiển dựa trên vi điều khiển 8-bit do hạn
chế về tốc độ và bộ nhớ đã không đáp ứng được yêu cầu phát triển ngày càng tăng
của cơ sở sản xuất như nâng cấp, mở rộng để nâng cao năng suất, sản lượng, chất
lượng đồng thời cũng làm giảm phạm vi ứng dụng.
Trên thị trường chưa có bộ điều khiển đa năng có thương hiệu Việt Nam, hầu hết đều
phải nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành cao gấp nhiều lần so với sản xuất trong
nước như tại các nhà máy bia Hải Dương, Thanh Hoá, Kim Bài, Thái Bình; Công ty
phân đạm và hoá chất Hà Bắc; Công ty Gang thép Thái Nguyên những bộ điều khiển
pH, T, DO, Ca, Flow, áp suất, đều nhập ngoại. Bên cạnh đó hầu hết các đơn vị chưa
chú ý tích hợp các transmitter vào bộ điều khiển để tăng thêm giá trị sử dụng của nó
hoặc các chức năng điều khiển còn đơn giản chưa đáp ứng được thực tế.

5. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước
5.1. Tổng quan
Nhiều hãng lớn như SIEMENS, Honeywell, OMRON, ABB đã nghiên cứu và phát

triển các bộ điều khiển đa năng như dòng sản phẩm SIPART (SIEMENS), UDC
(HoneyWell), Digital Process Controller (OMRON), Advanced Process Controller
(ABB) đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Nhiều thuật toán điều khiển phức
tạp, nhiều chức năng tính toán được cài đặt sẵn đã làm cho bộ điều khiển có thể dùng
trong nhiều ứng dụng và đúng như tên gọi của nó “đa năng”. Trên một bộ điều khiển
có thể có sẵn các thuật toán điều khiển PID, điều khiển mờ, điều khiển thích nghi,
điều khiển lai, điều khiển bù nhiễu trước, điều khiển nhiều vòng kín, điều khiển logic,
điều khiển theo giới hạn (limit control), điều khiển theo dõi, điều khiển tỷ lệ, điều
khiển đồng bộ (đồng bộ theo giá trị chủ đạo đưa từ master là PLC hoặc bộ điều khiển
khác), điều khiển bước, các hàm toán học, logic, so sánh, định thời, Tất cả việc
còn lại người sử dụng cần làm chỉ là cấu hình (định nghĩa cấu trúc cho bộ điều khiển)
và cài đặt tham số. Bộ điều khiển còn có các giao diện truyền thông cho phép kết nối
mạng và trên cơ sở đó người ta xây dựng hệ SCADA có kiến trúc phân tán: hệ bao
gồm nhiều bộ điều khiển nằm tại hiện trường, mỗi bộ điều khiển có hiển thị, cảnh
báo, bàn phím, cài đặt tại chỗ. Mỗi bộ sẽ điều khiển cục bộ, độc lập tương đối (liên
động ít) một công đoạn trong dây chuyền sản xuất đồng thời thu thập dữ liệu liên
quan để truyền về một trạm điều khiển trung tâm qua mạng truyền thông. Trạm điều


7
khiển trung tâm thường sử dụng máy tính PC có cài đặt phần mềm HMI để người vận
hành giám sát, lưu trữ, điều khiển từ xa toàn bộ dây chuyền. Mạng truyền thông phổ
biến của bộ điều khiển là PROFIBUS, MODBUS và Ethernet. Trong đó mạng
Ethernet có xu hướng ngày càng phổ biến, hiện chiếm đến 80% thị phần mạng trên
toàn thế giới. Ethernet có rất nhiều ưu điểm như: lắp đặt nhanh nhờ phương pháp kết
nối đơn giản; tính sẵn sàng cao nhờ khả năng mở rộng lớn, hầu như không hạn chế;
cho phép kết nối nhiều lớp ứng dụng khác nhau như quản lý, sản xuất; có khả năng
kết nối diện rộng mạng WAN; tương thích rất nhiều thiết bị trên thế giới hiện nay;
gần như không giới hạn hiệu suất mạng nhờ sử dụng công nghệ switching.
Ngoài ra trong các bộ điều khiển đa năng của các hãng kể trên hầu hết đều tích hợp

sẵn đầu vào cho đầu đo nhiệt độ RTD, TC. Hơn nữa hiện nay rất nhiều hãng sản xuất
đầu đo như HACH, E+H, YSI, có xu hướng tích hợp các bộ điều khiển với
transmitter. Mỗi bộ điều khiển có khả năng kết nối một vài dạng đầu đo chuẩn. Tuy
nhiên các bộ điều khiển dạng này thường rất đơn giản về điều khiển, không có
module mở rộng nhưng giá thành rất cao (thậm chí gấp đôi giá thành bộ transmitter
thông thường).

5.2. Giới thiệu các bộ điều khiển đa năng của nước ngoài
Tất cả các bộ điều khiển đa năng đều có một số AI, AO, DI, DO chuẩn (0 10V,
0/4 20mA, 24VDC, dry contact, ) và tín hiệu đầu vào từ cặp nhiệt. Sau đây chỉ giới
thiệu các hàm chức năng của mỗi loại


Ø Burkert - DIC(Digital Industrial Controller)-Hình 1












Hình 1 Bộ điều khiển DIC của hãng Burkert
Chức năng điều khiển
-Điều khiển setpoint cố định
-Folowup control

-Điều khiển tỷ lệ
-Điều khiển fixed setpoint kết hợp feedforward
-Cascade control


8
-Step control
-Overide control
Hàm toán học
-Cộng, trừ, nhân, chia, khai căn
Truyền thông
-RS232
-RS485/PROFIBUS

Ø Siemens – SIPART - Hình 2











Hình 2 Bộ điều khiển SIPART của hãng Siemens
Chức năng điều khiển
-Điều khiển setpoint cố định
-Folowup control

-Điều khiển tỷ lệ
-Điều khiển fixed setpoint kết hợp feedforward
-Cascade control
-Step control
-Điều khiển thích nghi (tuỳ chọn)
Hàm toán học
-Cộng, trừ, nhân, chia, khai căn
Truyền thông
-RS232
-RS485/PROFIBUS-DP/PA, HART
-Ethernet (tuỳ chọn)










9
Ø Honeywell – UDC (Universal Digital Controller) - Hình 3

Hình 3 Bộ điều khiển UDC của hãng Honeywell
Chức năng điều khiển
-Điều khiển setpoint cố định
-Điều khiển theo ramping setpoint
-Điều khiển tỷ lệ
-Step control
-Self tuning (tuỳ chọn)
Hàm toán học
-Cộng, trừ, nhân, chia, khai căn
Truyền thông
-RS232
-RS485/MODBUS RTU
-RS485/ASCII
-Ethernet (tuỳ chọn)

10
Ø Omron – DC (Digital Controller) - Hình 4

Hình 4 Bộ điều khiển DC của hãng Omron
Chức năng điều khiển
-Điều khiển setpoint cố định
-Cascade control
-Feed forward control
-Điều khiển tỷ lệ
-Step control
-Fuzzy control
-Hybrid control (PID+fuzzy)
-Fuzzy fine tuning
Hàm toán học
-Cộng, trừ, nhân, chia, khai căn
Truyền thông
-RS232
-RS422
-RS485












11
Ø Endress+Hauser- Mycom S CPM 153 - Hình 5

Hình 5 Bộ điều khiển và transmitter pH/Redox của hãng E+H
Chức năng điều khiển
-Điều khiển ON/OFF theo ngưỡng.
-PID controller: output PWM (pulse length)/PFM (pulse frequency)/0/4 20 mA
Transmitter
-pH/ Redox
-Nhiệt độ
Truyền thông
-PROFIBUS DP/PA
-HART
Chức năng khác
-Datalogger
-Vệ sinh tự động

12
Ø HACH – SC100 - Hình 6











Hình 6 Bộ điều khiển và transmitter SC100 của hãng HACH
Chức năng điều khiển
-Điều khiển setpoint cố định
-Điều khiển tỷ lệ
-Overide control
Transmitter
-pH

-T
-DO
-Conductivity
Truyền thông
-RS232
-RS485/PROFIBUS-DP

Ngoài các hãng nêu trên còn rất nhiều hãng sản xuất các bộ điều khiển có tính năng
tương tự như: ABB, Yokogawa, KOBOLD, ALCO,












13
5.3. Các ứng dụng điều khiển tiêu biểu
Các bộ điều khiển đa năng thường được ứng dụng trong các bài toán điều khiển đặc
trưng sau:
Ø Điều khiển một vòng kín (Hình 7)
Điều khiển một vòng kín như: điều khiển nhiệt độ lò; nồi hơi; áp suất của các hệ điều
khiển thay đổi công suất theo phụ tải trong các hệ thống chỉnh nhiệt bằng nước, bằng
hơi, điều chỉnh DO; điều chỉnh công suất theo độ mở của valve,

Hình 7 Sơ đồ khối điều khiển một vòng kín
Ø Điều khiển theo dõi (Hình 8)
Điều khiển theo dõi (folow-up control) như: điều khiển lò nung không liên tục(theo
mẻ) , setpoint là một đường chuẩn cho trước và phải nung sao cho nhiệt độ tâm bám
theo đường setpoint. Điều khiển nhiệt độ ra lò theo sự thay đổi công suất cán: khâu
tính toán setpoint theo tốc độ cán sẽ đưa ra setpoint thay đổi cho khâu điều khiển
nhiệt độ









Hình 8 Sơ đồ khối điều khiển theo dõi



14

Ø Điều khiển tỷ lệ (Hình 9)
Điều khiển tỷ lệ như chỉnh clo châm theo lưu lượng. Tỷ lệ lưu lượng clo/lưu lượng
nước = const


























Hình 9 Sơ đồ khối điều khiển tỷ lệ

Ø Điều khiển cascade (Hình 10)
Điều khiển cascade (nối tầng) như: điều khiển nhiệt độ trong tank được nung bằng
hơi nóng có hai tầng điều khiển, vòng điều khiển tác động nhanh để điều khiển lưu
lượng dòng hơi, trong khi đó vòng thứ hai chỉnh nhiệt độ có quán tính chậm hơn

Hình 10 Sơ đồ khối điều khiển cascade









15
Ø Điều khiển bước
Điều khiển bước (step control): PID có đầu ra điều chế độ rộng xung rất hay dùng cho
điều khiển valve, động cơ kiểu 2, 3 vị trí (Hình 11)

Hình 11 Damper dùng động cơ kiểu 2, 3 vị trí


6. Khảo sát thực tế trong nước
Nhóm thực hiện đề tài đã khảo sát thực tế tại các công trình công nghiệp trong nước.
Sau đây là kết quả khảo sát:
Ø Dây chuyền sản xuất CO2 lỏng- Công ty Phân đạm và Hoá Chất Hà Bắc
Thời điểm khảo sát: Năm 2006
Mô tả hệ thống tự động hoá:
Hệ thống của dây chuyền I do Germany thiết kế lắp đặt (dây chuyền II và III hoàn

toàn do chuyên gia trong nước thiết kế lắp đặt – ELCOM, ). Hệ thống có 02 tủ điều
khiển sử dụng PLC SIMATIC S5- CPU 95U và 06 module (16DI x 24 VDC), 10
module (8DO x 24VDC/ 0.5 A ) của SIEMENS. Trên mặt tủ có các nút ấn, chuyển
mạch cho chế độ điều khiển tay; các bộ định thời đặt thời gian trễ điều khiển và các
bộ điều khiển áp suất, lưu lượng, nhiệt độ. Các bộ điều khiển này có chức năng điều
khiển cục bộ và liên động với bộ điều khiển PLC bằng các đầu ra logic. PLC hoàn
toàn điều khiển logic mà thôi (vì chỉ có các đầu vào ra số và nhóm thực hiện đề tài đã
tìm hiểu cả logic chương trình). PLC thực hiện chức năng: điều khiển logic quá trình
sản xuất CO2 , cảnh báo/báo động , dừng sự cố , báo trạng thái , nhận lệnh điều khiển
tay. Các đối tượng cần điều khiển là máy bơm nước, hoá chất, quạt gió, máy nén khí,
van điện từ



16

Bộ điều khiển sử dụng trong hệ thống:
-Điều khiển áp suất của hãng Burkert
-Điều khiển lưu lượng của Danffos
-Điều khiển nhiệt độ của ALCO

Ø Hệ thống cảnh báo và liên động bảo vệ tua bin máy phát nhiệt điện- Công ty Phân
đạm và Hoá chất Hà Bắc
Thời điểm khảo sát: Năm 2006
Mô tả hệ thống tự động hoá:
Hệ thống bảo vệ 02 tua bin máy phát nhiệt điện (công suất mỗi tua bin 12MW) do
Trung Quốc thiết kế lắp đặt. Hệ thống có 02 bộ PLC SIMATIC S7-200 CPU224 và
06 bộ module EM223 (16DI/16DO). PLC nhận các báo động từ các bộ điều khiển tại
chỗ gửi về để đưa ra báo động và dừng liên động bảo vệ máy phát.
Bộ điều khiển sử dụng trong hệ thống:

-Điều khiển áp suất dầu, khí.
-Điều khiển nhiệt độ

Ø Trạm xử lý nước thải – Công ty CP Bia Hà Nội
Thời điểm khảo sát: Năm 2007
Mô tả hệ thống tự động hoá:
Hệ thống xử lý nước thải do Bỉ thiết kế lắp đặt. Hệ thống điều khiển tự động gồm hệ
điều khiển dùng PLC và máy tính giám sát trung tâm. Điều khiển logic được thực
hiện từ PLC còn điều khiển pH được thực hiện bằng bộ điều khiển riêng.
Bộ điều khiển sử dụng trong hệ thống:
-Điều khiển pH của E+H
Ngoài ra nhóm thực hiện khi khảo sát các công trình như: Nhà máy cán thép Lưu Xá
(30 vạn tấn) và Nhà máy cán thép Gia Sàng – Công ty Gang thép Thái Nguyên, Nhà
máy cán thép Việt Ý, Nhà máy cán thép Hoà Phát (điều khiển nhiệt độ, lưu lượng);
Nhà máy giấy Trúc Bạch, Nhà máy giấy Phong Khê (điều khiển nồng độ bột giấy);
Nhà máy Thuỷ điện Suối Tân (điều khiển tốc độ, lưu lượng); Nhà máy xử lý nước
thải KCN Nomura - Hải Phòng (điều khiển pH); Trạm xử lý nước thải – Công ty CP
sữa VINAMILK (điều khiển pH); Công ty CP Bia Hà Nội-Hải Dương, Hà Nội-Hồng
Hà, Công ty CP Bia Thanh Hoá (điều khiển DO, pH, canxi, clo), đều gặp rất nhiều
các bộ điều khiển đa năng điều khiển nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, hoá chất,







17
7. Một số công trình đã thi công sử dụng bộ điều khiển đa năng
Nhóm thực hiện đề tài trong 02 năm (2006 và 2007) đã và đang trực tiếp thi công một

số công trình tự động hoá trong đó có sử dụng bộ điều khiển đa năng.
Ø Công trình Hệ thống tự động hoá xử lý nước công nghệ - Công ty CP Bia Thái
Bình
Công suất xử lý: 10m
3
/h
Các công đoạn chính: Lọc áp lực, trao đổi cation, khử khí, bổ sung canxi, lọc than,
chỉnh pH, khử trùng bằng clo.
Loại công trình: Cải tạo và nâng cấp
Hệ thống điều khiển:
-Điều khiển logic các bơm nước và quạt theo ngưỡng (áp, mức nước) và liên động .
-Điều khiển quá trình pH, canxi, châm clo dùng 02 bộ SC100 của HACH, trong đó có
03 vòng điều khiển close loop (02 điều khiển PI cho pH,canxi; 01 điều khiển P cho
clo)
-Giám sát tại chỗ qua LCD trên bộ điều khiển và qua đèn trên mặt tủ điều khiển
(trạng thái thiết bị)
Thời gian lắp đặt và hiệu chỉnh phần điều khiển: 03 giờ (02 người thi công)

Ø Công trình Hệ thống tự động hoá xử lý nước công nghệ-Công ty CP Bia Kim Bài
Công suất xử lý: 15m
3
/h
Các công đoạn chính: Lọc cát, trao đổi cation, khử khí, bổ sung canxi, lọc than, chỉnh
pH.
Loại công trình: Lắp đặt mới
Hệ thống điều khiển:
-Điều khiển logic các bơm nước và quạt theo ngưỡng (áp, mức nước) và liên động .
-Điều khiển quá trình pH, canxi dùng 02 bộ SC100 của HACH, trong đó có 02 vòng
điều khiển close loop (02 điều khiển PI cho pH,canxi)
-Giám sát tại chỗ qua LCD trên bộ điều khiển và qua đèn trên mặt tủ điều khiển

(trạng thái thiết bị)
Thời gian lắp đặt và hiệu chỉnh phần điều khiển: 01 giờ (02 người thi công)

Ø Công trình Hệ thống tự động hoá xử lý nước thải- Công ty CP Bia Thanh Hoá
Công suất xử lý: 1.500m
3
/ngày đêm
Các công đoạn chính: Lọc thô, điều hoà, trung hoà, hiếm khí, hiếu khí, lắng, xử lý
bùn
Loại công trình: Lắp đặt mới
Hệ thống điều khiển:
-Điều khiển dùng PLC SIMATIC S7-300 của SIEMENS kết hợp với 01 bộ SC100
của HACH, trong đó có 02 vòng điều khiển close loop (02 điều khiển PI cho pH, DO)
-Giám sát từ trung tâm qua PC, tại chỗ qua LCD trên bộ điều khiển và qua đèn trên
mặt tủ điều khiển (trạng thái thiết bị)
Ngoài ra còn 02 công trình đang thi công là Hệ thống xử lý nước công nghệ tại Công
ty CP Bia Hồng Hà , Hải Phòng có sử dụng các controller/transmitter của HACH



18
8. Tổng kết về bộ điều khiển đa năng
Tuy không thể sánh được với PLC về mức độ “mềm dẻo”, khả năng mở rộng phần
cứng và phạm vi ứng dụng, tuy nhiên trong nhiều ứng dụng điều khiển cục bộ, quy
mô vừa và nhỏ chỉ cần một số bộ điều khiển đa năng là đủ và kinh tế, đồng thời do
được xây dựng dựa trên các chuẩn mở, bộ điều khiển đa năng có thể trở thành những
thành phần cơ sở để tích hợp, mở rộng quy mô của các hệ thống tự động hoá khi cần
thiết với chi phí thấp. Kết hợp với PLC, bộ điều khiển đa năng cho phép xây dựng các
giải pháp hệ thống tự động hoá đem lại hiệu quả cao (chi phí thấp, thời gian thi công
nhanh, giảm thời gian thiết kế, giảm mức độ phức tạp của chương trình điều khiển

trên PLC, giảm “tải” cho PLC, tăng độ tin cậy của hệ thống, ) Bộ điều khiển đa năng
dựa trên các vi điều khiển 16/32-bit có thể thoả mãn các yêu cầu về tốc độ xử lý cao,
thời gian lấy mẫu ngắn, cho phép cài đặt các thuật toán phức tạp có khối lượng tính
toán lớn, cài đặt nhiều chức năng , cho phép lưu trữ, thu thập nhiều số liệu (như thiết
bị datalogger) phục vụ thống kê.

19
Chương 2 - THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN
1. Tổng quan về thiết kế
Thiết kế bộ điều khiển đa năng được dựa trên cơ sở kết quả khảo sát thực tế, tìm hiểu
tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, các yêu cầu về chức năng và tính năng kỹ
thuật của sản phẩm như đã đăng ký. Sơ đồ chức năng bộ điều khiển đa năng thể hiện
trên Hình 12.

Hình 12 Sơ đồ chức năng bộ điều khiển đa năng













PHẦN MỀM SCADA
Cấu hình cấu trúc
Cài đặt tham số
Hiển thị, lưu trữ, cảnh báo
Truyền thông Ethernet

BỘ ĐIỀU KHIỂN
PID tự chỉnh
Điều khiển theo SP cố định
Điều khiển tỷ lệ
Hàm toán học, logic
Truyền thống Ethernet
Lưu trữ, cảnh báo, báo động

8DI (24V)

8DO (24V/0.5A)

4AI (0/4-20mA, 0-5V)

2AO (0/4-20mA, 0-5V)

RTD, TC, pH

3 PWM

Key Board

Màn hình LCD

Ethernet/RS232/RS485

Nguồn cấp 220VAC



20
2. Thiết kế chế tạo phần cứng
2.1. Sơ đồ thiết kế tổng thể phần cứng
Thiết kế phần cứng được xây dựng dựa trên nguyên tắc module hóa theo từng chức
năng. Phần cứng được xây dựng thành các module nên việc ghép nối có thể thực hiện
dễ dàng thông qua các connector. Việc xây dựng theo module có áp dụng các chuẩn
truyền thông SPI và I2C cho phép dễ dàng mở rộng phần cứng mà không phải thay

đổi thiết kế (Hình 13)


















Hình 13 Sơ đồ khối thiết kế phần cứng

2.2. Yêu cầu đối với linh kiện, thiết bị
Việc lựa chọn các linh kiện, thiết bị phù hợp là yêu cầu hết sức quan trọng khi tiến
hành thiết kế phần cứng cho bộ điều khiển. Hiện nay các họ vi điều khiển 16/32-bit
đang dần thay thế họ vi điều khiển 8-bit. Thị phần của vi điều khiển 16/32-bit chiếm
58% vào năm 2004. Xu hướng phát triển này phản ánh xu thế yêu cầu cao về tính
năng của các bộ vi điều khiển. Điều khiển chất lượng cao đã thúc đẩy các nhà chế tạo
phải từ bỏ họ 8-bit ưa thích sang các họ vi điều khiển có số bit cao hơn. Mô hình 8-bit
vẫn còn được ứng dụng nhưng nhanh chóng sẽ bị lãng quên vì không gian nhớ của nó
chỉ đạt tối đa 64 KB.

Bộ vi điều khiển 16/32-bit có nhiều ưu điểm: kích thước chỉ lớn hơn họ 8-bit vài
phần trăm, công suất tiêu thụ thấp, giá thành thấp, tốc độ xử lý cao tới 40 triệu lệnh
trong 1s, không gian nhớ lên tới 16 MB, ROM lên tới 512KB, tuỳ thuộc từng loại mà
có tích hợp sẵn nhiều chức năng như: xử lý kỹ thuật số, kết nối theo mạng công
nghiệp tốc độ cao (CAN, Ethernet, ), điều chế độ rộng xung, điều khiển mờ, Do đó
Vi
điều
khiển
D
A
A
D
DI0 DI7
DO0 DO7
Dồn
kênh
Phân
kênh
SPI
SPI
U
I
I
U
0-5V
0-5V
0/4-20mA
0-5V
0/4-20mA
0-5V

AI0 …
AI3
AO0
AO1
GPIO
6 phím
Đệm
RS485
RS232
RS485
RS232
Ðệm
3 PWM
Ðệm
LCD
SPI
ETHERNET
CONTROLLER
ETHERNET
TÍN HIỆU NHỎ (mV)
Tiền
KĐ
SPI
Thẻ nhớ MMC
256M -4Gb



21
vi điều khiển 16/32-bit thích hợp cho xây dựng các hệ điều khiển nhúng thời gian

thực, điều khiển tốc độ cao, điều khiển phân tán, các trạm thiết bị đầu cuối thông
minh trong hệ SCADA.
Các bộ vi điều khiển 16/32-bit được phân chia thành từng họ, trong đó từ một kiến
trúc của bộ xử lý sinh ra nhiều dẫn xuất. Điều này tạo nên khả năng tính toán, hệ lệnh,
công suất tiêu thụ, môi trường phát triển và giá thành khác nhau. Tiếp theo các thành
viên của mỗi xê ri tùy theo kích thước bộ nhớ, tích hợp ngoại vi khác nhau thỏa mãn
các yêu cầu của từng ứng dụng. Những hãng lớn sản xuất vi điều khiển 16/32-bit có
thể kể tới như: Philips, Intel, Motorola, Atmel, Fujitsu, Hitachi, STMicroelectronics,
Sau đây là các yêu cầu cơ bản khi lựa chọn linh kiện, thiết bị để đáp ứng yêu cầu
thiết kế về chức năng và tính năng kỹ thuật:

Ø Yêu cầu đối với bộ xử lý trung tâm
ù Tốc độ tính toán, xử lý: 30 triệu lệnh/s
ù Bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình lớn
ù Số lượng và chức năng của các đầu vào/ra: các đầu vào/ra có khả năng tương
thích với các loại tín hiệu khác nhau.
ù Độ ổn định cao
ù Mức tiêu thụ năng lượng thấp
ù Sự phù hợp với việc phát triển phần mềm dễ dàng
Ø Yêu cầu đối với các đầu vào/ra số
ù Tốc độ đáp ứng nhanh (nhỏ hơn ms)
ù Công suất các đầu ra số cho phép đến 0,5A
ù Khả năng ổn định cao khi lam việc đồng thời
ù Cách ly điện áp 5KV
Ø Yêu cầu đối với các đầu ra PWM
ù Tốc độ đáp ứng nhanh
ù Tần số cho phép lớn hơn 10KHz
ù Công suất tín hiệu, đầu ra 24V
ù Cách ly 5KV
Ø Yêu cầu đối với các đầu vào/ra tương tự

ù Tốc độ đáp ứng (chu kỳ lấy mẫu) cỡ ms
ù Khả năng lọc nhiễu và ổn định của tín hiệu cao
ù Độ phân giải đối với các đầu vào tương tự 12 bit trở lên
ù Khả năng thích nghi với các dạng tín hiệu đầu vào và đầu ra khác nhau
Ø Yêu cầu đối với truyền thông RS232/RS485
ù Tốc độ truyền
ù Độ tin cậy của dữ liệu
ù Khả năng chống nhiễu


22
Ø Yêu cầu về hiển thị
ù Khả năng hiện thị tối đa
ù Dễ quan sát
Ø Yêu cầu về nguồn điện
ù Nguồn cách ly đáp ứng đủ công suất cho mạch và các ngoại vi.

2.3. Module xử lý trung tâm
Module xử lý trung tâm thực hiện các chức năng tính toán, xử lý, thu thập dữ liệu,
cảnh báo, báo động, điều khiển, truyền thông với các thiết bị ngoại vi. Thành phần
chính của module là chíp vi điều khiển LPC2124. Do đặc điểm của vi điều khiển là
được xây dựng theo kiến trúc CPU 16/32 bit ARM7TDMI-S (sử dụng nguồn điện áp
cấp thấp 3,3V và 1,8V) nên việc thực hiện ghép nối giữa vi điều khiển và các ngoại vi
có tính đến chuyển đổi mức tín hiệu cho phù hợp.
Ø Vi điều khiển 16/32-bit của hãng Philips
Trên cơ sở tìm hiểu và phân tích các dòng vi điều khiển hiện có trên thế giới và tại
Việt Nam, đề tài đã chọn vi điều khiển dòng ARM 16/32-bit của hãng Philips đáp ứng
các yêu cầu kỹ thuật đặt ra.
Ưu điểm:
ù Phần cứng nhỏ, gọn, tiêu thụ ít năng lượng

ù Dễ dàng phát triển phần mềm do trên thế giới hiện nay có nhiều hãng cung cấp
các chương trình biên dịch, gỡ rối, các bộ phát triển cho phép rút ngắn thời
gian hoàn thành dự án
Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của vi điều khiển này như sau:
ù Vi điều khiển 16/32-bit ARM7TDMI-S
ù 16 KB SRAM trên chip
ù 256 KB bộ nhớ chương trình trên chip. Cho phép hoạt động ở tốc độ 60 MHz .
ù Cho phép khả năng lập trình In-System Programming (ISP) và lập trình In-
Application Programming (IAP) thông qua phần mềm boot-loader trên chíp.
ù Giao diện nhúng cho phép quan sát các điểm dừng breakpoints. Các chương
trình con phục vụ ngắt vẫn tiếp tục được thực hiện trong khi nhiệm vụ nền
đang được debug với phần mềm RealMonitor trên chip.
ù 04 kênh biến đổi A/D 10-bit với thời gian biến đổi là 2,44 ms
ù 02 bộ timer 32 bit (với 4 kênh Capture và bốn kênh Compare), bộ 6 đầu ra
PWM, đồng hồ thời gian thực và Watchdog.
ù 02 giao diện truyền thông RS232, một cổng Fast I2C (400 Kbits/s) và 2 cổng
SPI
ù Tốc độ lớn nhất của CPU là 60Mhz
ù Bộ điều khiển ngắt có thể cấu hình được các mức ưu tiên và quy định địa chỉ.
ù 46 đầu vào ra số có thể họat động ở mức tín hiệu 5V. 9 đầu vào ngắt ngoài có
thể cấu hình ngắt theo sườn hoặc theo mức.
ù 02 chế độ nguồn thấp, Idle và Power-down.


23
ù Bộ xử lý được Wake-up từ chế độ Power-down thông qua ngắt.
ù Các chức năng ngoại vi có thể được cấu hình cho phép hoặc không cho phép
riêng rẽ để tối ưu nguồn.
ù 02 nguồn cấp: CPU hoạt động ở điện áp từ 1.65V đến 1.95V (1.8V ± 0.15V);
nguồn cấp cho các đầu vào ra trong khoảng 3.0V đến 3.6V (3.3V ± 10% ), và

cho phép các đầu vào/ra này kế nối trực tiếp với tín hiệu logic TTL.

2.4. Module vào/ ra số và PWM
Module vào/ra số được thiết kế gồm có 8 đầu vào số, 8 đầu ra số (Hình 14) và 3 đầu
ra PWM.Các đầu vào số 24V được thiết kế theo nguyên tắc cách ly với khối xử lý bên
trong. Để giảm số đường tín hiệu giao tiếp với vi điều khiển, mạch vào ra số được
thiết kế theo nguyên tắc chuyển đổi tín hiệu từ dạng song song ở các đầu vào ra thành
dạng nối tiếp thông qua các IC chuyển đổi 74HC595 và 74HC165. Mức logic 1 và 0
của các IC phù hợp với mức tín hiệu của vi điều khiển nên hoàn toàn có thể giao tiếp
trực tiếp.







Hình 14 Sơ đồ khối module vào ra số
Bộ khuếch đại công suất đầu ra số sử dụng IC ULN2001. Đây là IC có khả năng cấp
điện áp ra đến 30V và dòng điện lên tới 500mA. Mỗi đầu vào 24V đều được đưa trực
tiếp đến IC cách ly quang 4N35.
Trong 8 đầu vào số 24V (DI0.0,…,DI0.7) sẽ mặc định dùng đầu vào DI0.0 làm đầu
vào chọn chế độ hoạt động RUN/STOP cho bộ điều khiển. Đầu ra DO0.0 và DO0.1
sẽ được dùng làm các đầu ra điều khiển rơle đèn cảnh báo và rơle còi báo động. Khi
bộ điều khiển được ứng dụng vào trong công nghiệp, các đầu vào/ra này được kết nối
với các công tắc, đèn, còi gắn trên bàn điều khiển, panel điều khiển hay tủ điều khiển,
tùy trường hợp cụ thể.
Đầu ra PWM (Hình 15) được thiết kế gồm 3 đầu. Đây là các đầu ra điều chế độ rộng
xung, được dùng vào việc điều khiển nên cần ghép với IC tốc độ chuyển đổi cao, có
thể cho đầu ra 24V cách ly. IC 6N137 được chọn làm đầu ra PWM với tốc độ chuyển

đổi lên tới 10MHz.






Khối cách
ly quang
Khối chuyển
đối các tín hiệu
song song
thành nối tiếp
Khuếch đại công
suất đầu ra số
Vi điều khiển
8 DI (24V)
8 DO (24V)