Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo áp suất cột chống đơn và bộ điều khiển pha trộn dung dịch nhũ hóa dùng cho trạm bơm thủy lực trong khai thác than hầm lò

BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ TIN HỌC TỰ ĐỘNG HÓA








BÁO CÁO KHOA HỌC
ĐỀ TÀI NCKH&PTCN CẤP BỘ BỔ SUNGNĂM 2011




Tên đề tài:

“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐO ÁP SUẤT CỘT
CHỐNG ĐƠN VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHA TRỘN DUNG DỊCH
NHŨ HOÁ DÙNG CHO TRẠM BƠM THUỶ LỰC TRONG
KHAI THÁC THAN HẦM LÒ”

HÀ NỘI - 06/2012
Báo cáo đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo áp suất cột chống đơn và bộ điều khiển pha trộn dung dịch nhũ
hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong khai thác than hầm lò”

1
MỤC LỤC
MỤC LỤC
1
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 2
BẢNG CÁC THUẬT NGỮ VIÉT TẮT 2
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 3
1.1. Sự cần thiết của đề tài 3
1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng 4
1.3 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu của đề tài 8
1.4 Nội dung của đề tài 8
Chương 2: THIẾT KẾ CHẾ TẠO ÁP KẾ SỐ 9
2.1 Thiết kế tổng thể sản phẩm đề tài 9
2.1.1 Tìm hiểu cấu trúc, tính năng các sản phẩm đang có trên thị trường 9

2.1.2 Thiết kế tính năng cho áp kế số của đề tài 10
2.2 Thiết kế phần cứng áp kế số DMM1 11
2.2.1 Các vấn đề kỹ thuật, công nghệ cần giải quyết. 11
2.2.2 Sơ đồ chức năng áp kế số DMM1. 12
2.2.2 Tính năng kỹ thuật 19
Chương 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO 21
HỆ THỐNG PHỐI TRỘN DUNG DỊCH NHŨ HOÁ 21
3.1 Thiết kế tổng thể 21
a. Xây dựng các tính năng cơ bản của Bộ điều khiển 22
b. Sơ đồ khối bộ điều khiển 22
c. Các thông số kỹ thuật cơ bản 23
3.2 Thiết kế phần cứng Bộ điều khiển 24
a. Nguyên tắc thiết kế chế tạo 24
b. Lựa chọn linh kiện và thiết kế từng khối 24
c. Các vấn đề kỹ thuật, công nghệ cần giải quyết 29
3.3 Thiết kế phần mềm Bộ điều khiển 31
a. Thiết kế cấu trúc phần mềm nhúng 31
b. Thiết kế phần mềm cho module Calculate & Control 32
c. Thiết kế phần mềm cho module Display 32
d. Thiết kế giao thức truyền thông 34
3.4 Hiệu chỉnh mạch đo lường tín hiệu cân và mạch đo nhiệt độ 35
3.5 Lựa chọn thiết bị vào/ra 36
3.6 Thiết kế chế tạo khối công suất điều khiển đầu ra 37
3.7 Sơ đồ đấu nối hệ thống 39
3.8 Thiết kế chế tạo cụm cấu kiện cơ khí 39
Chương 4: THỬ NGHIỆM 40
4.1. Thử nghiệm áp kế số DMM1 40
4.2. Thử nghiệm hệ thống PTTĐ 41
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

PHỤ LỤC 49
Báo cáo đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo áp suất cột chống đơn và bộ điều khiển pha trộn dung dịch
nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong khai thác than hầm lò”

2
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1: Sản phẩm của các hãng 5
Hình 2: Sơ đồ hệ thống định lượng pha trộn dung dịch trong trạm bơm 6
Hình 3: Sơ đồ cấu trúc áp kế số 9
Hình 4: Sơ đồ khối chức năng áp kế số 12
Hình 5: Khối bảo vệ nguồn cấp 13
Hình 6: Khối giám sát nguồn pin 14
Hình 7: Khối đo lường 14
Hình 8: Khối điều khiển LCD 17
Hình 9: Dòng tiêu thụ trong các chế độ khác nhau của chip CPU 18
Hình 10: Hình ảnh áp kế số DMM1 19
Hình 11: Sơ đồ khối bộ điều khiển PTTĐ 23
Hình 12: Sơ đồ khối IC INA125 25
Hình 13: Module nguồn cách ly CC3-1205SF-E của TDK-Lambda 26
Hình 14: Module nguồn cách ly CC3-1212DF-E của TDK-Lambda 27
Hình 15: Mạch Bảo vệ đầu vào cấp nguồn 27
Hình 16: Mạch cách ly vào ra tín hiệu 28
Hình 17: Sơ đồ chân PIC18F4553 29
Hình 18: Sơ đồ chân Atmega644A 29
Hình 19: Lưu đồ trạng thái chương trình 31
Hình 20: Lưu đồ thuật toán quá trình thu thập dữ liệu 32
Hình 21: Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển PTTĐ 33
Hình 22: Lưu đồ thuật toán chương trình trên module Display 33
Hình 23: Chu kỳ vòng quét truy vấn dữ liệu 34
Hình 24: Sơ đồ nguyên lý khối công suất 38

Hình 25: Sơ đồ đấu nối hệ thống PTTĐ 39


BẢNG CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
LCD – Liquid Crystal Display
PTTĐ – Pha trộn tự động
DMM – Digital manometer
AFC – Auto Feeding Control
PC – Power Control
CPU – Central Processing Unit
TVS – Transient Voltage Suppesion
IEC – International Electrotechnical Commission
TCVN – Tiêu chuẩn Việt Nam
ADC – Analog to Digital Conveter
RAM – Random Access Memory
IC – Integrated Circuit
Báo cáo đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo áp suất cột chống đơn và bộ điều khiển pha trộn dung dịch
nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong khai thác than hầm lò”

3
Chng1:TNGQUANVĐTÀI

1.1. Sự cần thiết của đề tài

Hiện nay VINACOMIN có khoảng 30 đơn vị thành viên khai thác than hầm lò.
Trong mỗi lò chợ, với cự ly quy định là 80cm giữa các cột chống đơn, số cột chống
đơn trong mỗi lò là vài trăm tới hàng ngàn cột. Ngoài ra xu thế hiện nay là đưa vào sử
dụng ngày một nhiều các cột chống giàn. Như vậy việc thường xuyên kiểm tra áp lực
các cột chống để đảm b
ảo an toàn là công tác khá phức tạp. Để kiểm tra áp lực cột

chống, hiện đang sử dụng tại các lò là máy đo cơ chỉ thị kim (đều do Trung quốc sản
xuất) không chính xác, máy đo thường hay bị hỏng dẫn đến tình trạng áp lực các cột
chống không đồng đều, làm giảm độ an toàn của hệ thống cột chống.
Dung dịch sử dụng cho cột chống là dung dịch nhũ hoá có thành phần bao g
ồm
nước và dầu M10 (H2O + M10) trong đó tỷ lệ dầu M10 chiếm tỷ lệ khoản 4%. Áp
suất dung dịch trong cột chống là khoảng 7MPa. Hiện nay tại các lò đều sử dụng các
trạm bơm thủ công hoàn toàn dẫn tới chất lượng dung dịch không đảm bảo vì pha trộn
thủ công và dùng bộ đo hàm lượng dầu trong dung dịch có độ chính xác thấp với giá
trị đọc phụ thuộc rất nhiều vào chủ quan và kinh nghi
ệm của người vận hành. Ngoài
ra các yếu tố chủ quan khác của người vận hành cũng có thể ảnh hưởng tới sự ổn định
của trạm bơm.
Qua khảo sát các đơn vị khai thác than hầm lò có thể thấy những nhu cầu cấp
thiết tại các lò khai thác than về việc:
• Sử dụng máy đo áp lực hiển thị số có độ chính xác cao, dễ đọc và bền để thay
thế cho đồ
ng hồ kim
• Sử dụng hệ thống pha trộn tự động dung dịch nhũ hoá tại các trạm bơm áp lực
cung cấp dung dịch cho cột chống lò để đảm bảo chất lượng dung dịch ổn định, nâng
cao tuổi thọ cột chống và nâng cao độ an toàn cho sản xuất.
Việc sử dụng các thiết bị trên phù hợp với xu thế hiện đại hoá sản xuất ngành
khai thác than để nâng cao hiệu quả
sản xuất cũng như nâng cao độ an toàn cho con
người và cho máy móc thiết bị.


Báo cáo đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo áp suất cột chống đơn và bộ điều khiển pha trộn dung dịch
nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong khai thác than hầm lò”

4
1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng
Ngành công nghiệp khai khoáng mỏ hầm lò ở các nước phát triển đã sử dụng
nhiều thiết bị và hệ thống hiện đại, trong đó lĩnh vực điện tử/tự động hoá có thể kể đến
từ những máy đo cầm tay (đo khí mê tan, đo áp lực, đo gió ), những hệ thống điều
khiển độc lập cho đến nh
ững hệ thống tập trung cho phép giám sát toàn bộ môi trường
và các thiết bị cũng như con người trong lò, đồng thời cho phép thiết lập hệ thống
thông tin thoại/tin nhắn giữa mặt đất với hầm lò. Tất cả những hiện đại hoá trên nhằm
mục tiêu nâng cao độ an toàn (cho người và máy móc) cũng như nâng cao hiệu quả
hoạt động của các doanh nghiệp khai thác hầm lò. Phần này tập trung tìm hiểu tình
hình nghiên cứu, ứng dụng c
ủa hai đối tượng sau:
• Máy đo áp lực hiển thị số an toàn tia lửa dùng đo áp lực cột chống đơn trong lò
chợ mỏ than hầm lò
• Bộ điều khiển định lượng tự động dung dịch nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ
lực trong mỏ than hầm lò
A. Máy đo áp lực
Trước đây khi công nghệ mạch tích hợp chưa phát triển, Máy đo áp lực hiển thị
số
đạt tiêu chuẩn an toàn tia lửa có giá thành khá cao nên trong hầm lò hầu hết sử
dụng máy đo cơ chỉ thị kim. Ưu điểm của máy đo cơ là giá thành hạ và tính an toàn tia
lửa tự nhiên của nó (không có các phần tử có khả năng gây tia lửa). Nhược điểm của
loại máy này là độ chính xác không cao, và hầu hết máy đo dùng tại các mỏ ở Việt
nam là máy do Trung quốc chế tạo nên tuổi thọ ngắn.
Hiện nay công nghệ
điện tử đã cho phép chế tạo máy đo áp lực hiển thị số đạt
tiêu chuẩn an toàn tia lửa để sử dụng trong hầm lò với giá thành hợp lý, độ bền, độ ổn
định và độ chính xác cao, lại cho phép đọc dễ dàng không chỉ các thông tin hiện tại
mà cả các thông tin trong quá khứ (như giá trị áp lực lớn nhất/nhỏ nhất đã đo được)

qua đó có thể đánh giá về chấ
t lượng cột chống làm cơ sở cho công tác bảo trì bảo
dưỡng. Là một máy đo số sử dụng mạch vi xử lý nên các hãng chế tạo tích hợp nhiều
tính năng hiện đại bên cạnh chức năng chính (đo/hiển thị) như cảnh báo ngưỡng, kết
nối mạng truyền thông cho phép giám sát từ xa v.v. Máy đo áp lực hiển thị số hiện nay
đã được sử dụng rộng rãi trong khai thác than hầm lò ở
các nước phát triển để giám
sát áp lực. Nhiều hãng lớn chuyên cung cấp máy đo áp lực hiển thị số như GE Druck
(Anh quốc); KELLER (Thụy sỹ); AST Americal Sensor Tech; Ashcroft (USA);
Crystal Engineering Sau đây là một số hình ảnh về sản phẩm loại này của các hãng
Báo cáo đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo áp suất cột chống đơn và bộ điều khiển pha trộn dung dịch
nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong khai thác than hầm lò”

5


Hình 1: Sản phẩm của các hãng
Nhìn chung máy đo của các hãng trên có các đặc điểm (tổng hợp) sau:
Dải đo rộng, từ vài bar đến hàng ngàn bar
• Lưu giá trị đỉnh (Min, Max)
• Có thể đặt ngưỡng và đầu ra cảnh báo (như một Pressure Switch)
• Có lối ra RS485 cho phép nối mạng công nghiệp
• Có thể thay đổi đơn vị đo
• Hiển thị bằng LCD
• Sử dụng ngu
ồn pin dạng đồng xu
• Có phiên bản đạt chuẩn an toàn tia lửa.
Trong các đặc điểm trên, vấn đề kéo dài thời gian sử dụng pin (loại pin nhỏ,
dạng đồng xu) và vấn đề đạt chuẩn an toàn tia lửa là những vấn đề kỹ thuật và công
nghệ khó.

B. Bộ điều khiển định lượng tự động dung dịch nhũ hoá
Như đã trình bày, hàm lượng dầu trong dung dị
ch có vai trò quan trọng đối với độ
bền của cột chống và độ an toàn của lò, vì vậy việc pha trộn dung dịch phải được
kiểm soát chặt chẽ bằng một hệ thống pha trộn tự động (PTTĐ), đặt ngay tại trạm
bơm dung dịch như trên hình 1.2.
Khảo sát thực tế cho thấy hoạt động của trạm bơm được tiến hành như sau:
Báo cáo đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo áp suất cột chống đơn và bộ điều khiển pha trộn dung dịch
nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong khai thác than hầm lò”

6
• Bể dung dịch luôn phải được chuẩn bị sẵn sàng và đảm bảo hàm lượng dầu
M10 là khoảng 4% (sai số cho phép là ±1%). Dung tích của bể chứa dung dịch
khoảng 600 lít, khi mức trong bể giảm xuống dưới 400 lít thì lại được trộn
thêm cho đầy, mỗi lần trộn khoảng 200 lít.
• Khi cần đặt các cột chống mới hoặc bơm thêm dung dịch từ bình trữ năng vào
các cột chống cũ
cho đủ áp lực, người thợ sẽ kéo ống bơm tới và bơm dung
dịch vào cột qua van ba tác dụng. Trong quá trình bơm, áp lực dung dịch trong
bình trữ năng sẽ giảm dần
• Khi áp lực trong bình trữ năng giảm thì máy bơm hoạt động để bơm dung dịch
từ bể chứa sang bình trữ năng và duy trì áp lực khoảng 70bar. Van tự mở VTM
được đặt để hoạt động khi áp lực vượt quá ngưỡng trên, khi
đó dung dịch sẽ
chảy tuần hoàn về bẻ chứa. Luôn có một bơm chính và một bơm dự phòng để
đảm bảo tính sẵn sàng cao của trạm bơm
• Khi nhiệt độ dung dịch cao hơn 50 độ C thì không được bật máy bơm để đảm
bảo an toàn cho hệ thống.

Hình 2: Sơ đồ hệ thống định lượng pha trộn dung dịch trong trạm bơm
Báo cáo đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo áp suất cột chống đơn và bộ điều khiển pha trộn dung dịch
nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong khai thác than hầm lò”

7
Hệ thống điều khiển định lượng tự động có nhiệm vụ đảm bảo cho bể chứa dung
dịch luôn sẵn sàng. Nước và dầu được cấp sẵn vào các si lô cân treo trên các loadcell
LC1 và LC2, dung tích của mỗi si lô phải chứa được cho ít nhất một mẻ trộn tức là
khoảng 150-200 lít nước và 10 lít dầu. Khi cần pha trộn một mẻ, dầu M10 và nước
được định lượng theo định mức khối lượng
đặt trước của mỗi thành phần bằng cách
mở van tương ứng (VD, VN) dưới mỗi si lô và căn cứ vào lượng giảm từ các tín hiệu
cân mà quyết định đóng van lại. Quy trình hoạt động của hệ thống định lượng sẽ được
trình bày chi tiết trong phần thiết kế. Ở đây có hai vấn đề cần được làm rõ như sau:
• Vấn đề thứ nhất là: từ bài toán đảm bả
o hàm lượng dầu trong dung dịch tức là
đảm bảo tỷ lệ nhất định về quan hệ thể tích, chuyển thành bài toán định lượng
theo khối lượng tức là đảm bảo tỷ lệ về quan hệ khối lượng. Phép chuyển đổi
này là chấp nhận được vì giả thiết tỷ trọng của dầu M10 bằng tỷ trọng của nước
gây ra sai số không đáng kể, trong khi phạm vi cho phép về sai số
theo hàm
lượng dầu trong dung dịch là ±1%
• Vấn đề thứ hai là: vòng điều khiển ở đây là điều khiển vòng hở vì không có
thông tin phản hồi về hàm lượng dầu trong dung dịch, là đối tượng cần điểu
khiển. Giải pháp điều khiển này là chấp nhận được vì nước sử dụng là nước đã
được lọc sạch các tạp chất và dầu M10 có chất l
ượng ổn định. Như vậy sai số
gây ra là sai số của việc cân nước và cân dầu. Nếu hai sai số này đủ nhỏ và hệ
thống đạt độ ổn định cao thì có thể tính ra được sai số về hàm lượng dầu. Giải

pháp sử dụng cân điện tử hoàn toàn cho phép đạt được độ chính xác định lượng
khá cao và dễ dàng đạt được yêu cầu về sai số công nghệ là ±1%

Hệ thố
ng định lượng như trên có thể ứng dụng cho các trạm bơm hiện có đang
làm thủ công. Với các trạm bơm mới, ngoài chức năng giám sát và định lượng hoà
trộn dung dịch như trên, bộ điều khiển còn có thể thực hiện tự động hoàn toàn việc
điều khiển cấp nước/dầu cũng như liên động với việc bật/tắt máy bơm áp lực; bật luôn
phiên giữ
a bơm chính và bơm dự phòng, giám sát áp lực bình trữ năng để dừng bơm
nhằm tiết kiệm điện và kéo dài tuổi thọ máy bơm Nói tóm lại là trạm bơm áp lực
được tự động hoá hoàn toàn, và bộ điều khiển có thể kết nối mạng truyền thông với
trung tâm giám sát toàn mỏ
Tại Việt Nam hiện chưa có đơn vị nào nghiên cứu và chế tạo thành công máy
đo áp lực số và hệ thố
ng pha trộn tự động dung dịch nhũ hóa cho trạm bơm thủy lực
Báo cáo đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo áp suất cột chống đơn và bộ điều khiển pha trộn dung dịch
nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong khai thác than hầm lò”

8
mặc dù việc hiện đại hóa ngành công nghiệp khai thác than hầm lò đặt ra nhu cầu sử
dụng cấp thiết các sản phẩm này.

1.3 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu của đề tài
Đề tài nhằm thực hiện các mục tiêu sau:
• Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy đo áp suất hiển thị số thay thế máy đo
cơ dùng đo áp lực cột chống đơn trong lò chợ mỏ than hầm lò.
•
Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ điều khiển định lượng tự động dung dịch
nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong mỏ than hầm lò

Phương pháp nghiên cứu
• Tham khảo máy mẫu trong quá trình thiết kế chế tạo và thử nghiệm.
• Kiểm tra, mô phỏng các thiết kế cả phần cứng và phần mềm trên các
công cụ mô phỏng để đưa ra được thi
ết kế tối ưu trước khi thực hiện.
• Sau khi đã có sản phẩm mẫu sẽ đưa đi ứng dụng thực tế để kiểm tra
đánh giá tính năng của sản phẩm và hoàn thiện thiết kế.

1.4 Nội dung của đề tài
Các chương tiếp theo của báo cáo trình bày các nội dung mà đề tài đã thực
hiện gồm:
• Thiết kế, chế tạo máy đ
o áp suất hiển thị số (gọi tắt là áp kế số).
• Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển pha trộn tự động dung dịch cho trạm
bơm thuỷ lực.
• Thử nghiệm SP trong phòng TN, thử nghiệm, hiệu chỉnh & hoàn thiện
thiết kế.
• Lắp đặt tại hiện trường, chạy không tải, chạy có tải, đánh giá, hoàn thiệ
n
SP.
• Viết báo cáo tổng kết KHKT

Báo cáo đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo áp suất cột chống đơn và bộ điều khiển pha trộn dung dịch
nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong khai thác than hầm lò”

9

Chương 2: THIẾT KẾ CHẾ TẠO ÁP KẾ SỐ

2.1 Thiết kế tổng thể sản phẩm đề tài

2.1.1 Tìm hiểu cấu trúc, tính năng các sản phẩm đang có trên thị trường.
Các áp kế số dùng nguồn pin có cấu trúc cơ bản như sau:


Hình 3: Sơ đồ cấu trúc áp kế số
Cấu trúc cơ bản trên cho phép thực hiện các chức năng cơ bản của một máy đo
là đo lường/hiển thị. Ngoài ra với tính năng mạnh của mạch tích hợp hiện nay, các
hãng chế tạo đều đưa thêm các tính năng khác làm cho máy đo áp lực trở nên hiện đại,
chính xác và thông minh sau (như đã liệt kê trong phần 1.2.A):
a) Lưu giá trị đỉnh (Min, Max)
b)
Có lối ra cảnh báo (như một Pressure Switch) khi áp suất vượt ngưỡng
cao/thấp
c) Có lối ra số RS485 cho phép nối mạng công nghiệp
d) Có lối ra dòng 4-20mA cho phép kết nối từ xa với trung tâm đo lường/giám
sát
e) Có thể thay đổi đơn vị đo Bar, MPa, PSI, At
f) Hiển thị bằng LCD
g) Sử dụng nguồn pin không sạc (coin battery), có thể tự giám sát nguồn pin
và cảnh báo/tự tắt khi pin yếu.
h) Có phiên b
ản đạt chuẩn an toàn tia lửa.
Báo cáo đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo áp suất cột chống đơn và bộ điều khiển pha trộn dung dịch
nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong khai thác than hầm lò”

10
Trong các đặc điểm trên, vấn đề giảm thiểu tối đa dòng tiêu thụ từ pin để kéo
dài thời gian sử dụng pin và vấn đề thiết kế để thiết bị đạt chuẩn an toàn tia lửa là
những vấn đề kỹ thuật và công nghệ khó.
2.1.2 Thiết kế tính năng cho áp kế số của đề tài

Đối với sản phẩm áp kế số của đề tài,
được đặt tên là DMM1 (Digital
ManoMeter 1), do yêu cầu sử dụng là đo áp suất các cột chống với tính chất đo lưu
động, không đòi hỏi kết nối mạng nên sản phẩm này sẽ có các tính năng sau:
a) Đo và hiển thị áp suất dung dịch nhũ hóa, dải đo đến 500bar (theo yêu cầu
của ngành khai thác hầm lò)
b) Lưu giá trị đỉnh (Min, Max)
c) Có thể thay đổi đơn vị đo Bar, MPa, PSI, At, kg/cm
2

d) Hiển thị bằng LCD. Theo đặc tính kỹ thuật của máy đo DMM1 đăng ký
trong Thuyết minh Đề tài thì thiết bị hiển thị là LED để dễ nhìn trong bóng
tối. Qua nghiên cứu khảo sát thì thấy người kiểm tra áp lực cột chống luôn
phải dùng đèn lò nên vấn đề hiển thị rõ trong bóng tối không phải là đặc
tính ưu tiên của máy đo, trong khi đó vấn đề tiết kiệm dňng tięu thị vớ
i
nguồn pin điện áp thấp lại trở thành đặc tính phải có của máy đo. Vì vậy
phương án hiển thị được thay đổi từ LED sang LCD
e) Sử dụng nguồn pin Lithium 3VDC dạng đồng xu (Coin Battery), có thể tự
giám sát nguồn pin và cảnh báo/tự tắt khi pin yếu. Đây cũng là đặc tính về
nguồn cấp có sự thay đổi so với Thuyết minh Đề tài. Trong Thuyết minh
Đề tài, nguồn cấp là pin sạc không phù hợp vớ
i yêu cầu sử dụng của máy
đo DMM1. Khi đã đạt được mục tiêu giảm thiểu dòng tiêu thụ thì hoàn
toàn có thể sử dụng nguồn pin không sạc lại.
f) Đạt chuẩn an toàn tia lửa theo TCVN-7079 để có thể sử dụng trong hầm lò
khai thác than có chứa khí mê tan.
Để mở rộng khả năng ứng dụng và tạo ra các sản phẩm khác với khả năng kết
nối (ví dụ khi dùng như một máy đo cố đị
nh được nối mạng), khi thiết kế sản phẩm áp

kế số của đề tài cũng phải tính đến khả năng phát triển mở rộng thêm các tính năng:
a) Có lối ra cảnh báo (như một Pressure Switch) khi áp suất vượt ngưỡng
cao/thấp
b) Có lối ra truyền số liệu RS485 cho phép nối mạng công nghiệp
Báo cáo đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo áp suất cột chống đơn và bộ điều khiển pha trộn dung dịch
nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong khai thác than hầm lò”

11
c) Có lối ra dòng 4-20mA cho phép kết nối từ xa với trung tâm đo lường/giám
sát

2.2 Thiết kế phần cứng áp kế số DMM1
2.2.1 Các vấn đề kỹ thuật, công nghệ cần giải quyết.
Trong các tính năng kể trên, các tính năng a, b, c, d thuộc về vấn đề đo
lường/hiển thị thông thường, không phải là vấn đề khó. Các vấn đề khó cần giải quyết
khi thiết kế DMM1 là:
• Máy phải có kết cấu nhỏ gọn, nhẹ nhàng chắc chắn -> tất cả linh kiện là loại
dán, công suất thấp để mạch in nhỏ gọn.
• Giảm tối đa dòng tiêu thụ từ pin để kéo dài thời gian sử dụng pin. Pin được
sử dụng là loại pin lithium 3VDC dạng đồng xu dùng một lần với trữ năng
khoảng vài trăm mAh. Như vậy nếu dòng tiêu thụ của máy kho
ảng 10mA
thì sẽ phải thay pin sau vài chục giờ làm việc, điều này không phù hợp với
điều kiện làm việc tại công trường khai thác.Yêu cầu của đề tài lại phải
giảm dòng tiêu thụ tổng từ pin xuống chỉ còn khoản 1mA. Giải pháp để đạt
yêu cầu này là|:
o Tiêu chí lựa chọn linh kiện là loại điện áp thấp khoảng 2-2,5VDC,
dòng tiêu thụ cực thấp chỉ khoảng vài chục µA cho các mạch ngo
ại
vi ( khuyếch đại, truyền thông, hiển thị ) và vài trăm µA cho mạch

Vi xử lý trung tâm CPU.
o Mạch CPU phải là loại phù hợp với dạng thiết bị đo với tần suất cập
nhật thấp (khoảng 2 lần/s), chỉ làm việc khi cần và thường xuyên
trong trạng thái “standby” hoặc “sleep” để giảm thiểu dòng điện tiêu
thụ xuống mức thấp nhất
o Các mạch ngoại vi chỉ
được cấp nguồn khi cần dùng đến. Lựa chọn
những mạch có dòng tiêu thụ cực thấp khi không được chọn (có chân
SELECT) hoặc có chế độ SHUTDOWN
o Để đảm bảo tình trạng máy luôn tốt khi sử dụng, tránh tình trạng hết
pin tại hiện trường (trong lò chợ, không thể thay pin), máy đo cần có
cảnh báo sớm khi pin yếu và cho phép duy trì hoạt động trong vòng
1 ca làm việc (8 giờ) để kịp thay pin khi đưa về trụ sở công ty. Nếu
Báo cáo đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo áp suất cột chống đơn và bộ điều khiển pha trộn dung dịch
nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong khai thác than hầm lò”

12
pin quá yếu thì không cho phép làm việc để tránh việc đo/hiển thị
sai.
• Vấn đề thiết kế để thiết bị đạt chuẩn an toàn tia lửatheo TCVN-7079, phần
11 “An toàn tia lửa – dạng bảo vệ “i”, đòi hỏi phải lưu ý khi thực hiện các
công việc sau:
o Thiết kế sơ đồ nguyên lý cần lưu ý các mạch cấp nguồn, các lối vào
ra. Các linh kiện cần lựa chọn sao cho có dòng tiêu thụ thấ
p nhất,
công suất tiêu thụ ít nhất (đã được đề cập ở trên).
o Thiết kế mạch in cần lưu ý các quy định về kích thước và khoảng
cách các đường tín hiệu, đường nguồn.
o Thiết kế chế tạo vỏ máy phải lưu ý về kết cấu, vật liệu, độ dầy, độ
kín v.v.

Với tất cả các giải pháp và các lưu ý trên, Đề tài đã tiến hành tìm hi
ểu, lựa chọn
các linh kiện phù hợp nhất để xây dựng mạch phần cứng của máy đo trong phần tiếp
theo.
2.2.2 Sơ đồ chức năng áp kế số DMM1.
Hình 2.2 trình bày sơ đồ khối chức năng của áp kế số DMM1với các tính năng
đã được thiết kế trong mục 2.1.2.

Hình 4: Sơ đồ khối chức năng áp kế số
Báo cáo đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo áp suất cột chống đơn và bộ điều khiển pha trộn dung dịch
nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong khai thác than hầm lò”

13
Áp kế số DMM1 có cấu trúc gồm các khối chức năng sau:
• Khối bảo vệ nguồn cấp(Surge Protector)
Khối này đặt ngay lối vào đấu với nguồn pin, có nhiệm vụ bảo vệ mạch điện
phía sau không bị ảnh hưởng bởi điện áp cao hoặc các xung điện áp đi vào theo
theo jắc nguồn. Đây là khối bắt buộc phải có theo TCVN-7079. Sơ đồ nguyên lý
của khối này đượ
c trình bày trên hình 2.3. Diode Zener DZ1là loại TVS (Transient
Voltage Suppresion) với thời gian tác động cực nhanh (cỡ pico giây) sẽ cắt tất cả
các xung điện áp do phóng điện tĩnh ESD đi vào từ jắc nguồn pin. Sau đây là các
thông số kỹ thuật cơ bản của TVS Zener uClamp0501H của hãng SEMTEC [1]:
o Đáp ứng IEC61000-4-2(ESD) 15kV(không khí), 8kV(tiếp xúc trực
tiếp)
o Đáp ứng IEC61000-4-4(EFT) 40A (tp=5/50ns)
o Điện áp ngược ổn định: 5VDC
o Công suất xung lớn nhất (tp=8/20 µs) : 240W
o
Dòng xung lớn nhất (tp=8/20 µs) : 16A

o Dòng rò ngược max: 3µA
3VDC
Battery
R1
DZ1
C1
C2
V+
V-

Hình 5: Khối bảo vệ nguồn cấp
• Khối giám sát nguồn pin
Như đã nêu trong mục 2.2.1. , để đảm bảo tình trạng máy luôn tốt khi sử dụng,
tránh tình trạng hết pin tại hiện trường (trong lò chợ, không thể thay pin), máy đo cần
có cảnh báo sớm khi pin yếu và cho phép duy trì hoạt động trong vòng 1 ca làm việc
để kịp thay pin khi đưa về trụ sở công ty. Nếu pin quá yếu thì không cho phép làm
việc để tránh việc đo/hiển thị sai. Nh
ư vậy việc giám sát nguồn pin có vai trò quan
trọng trong việc đảm bảo tính tin cậy của máy đo. Nhiệm vụ này do khối giám sát
nguồn pin thực hiện với sơ đồ thể hiện trên hình 2.4.
Bỏo cỏo ti: Nghiờn cu thit k ch to b o ỏp sut ct chng n v b iu khin pha trn dung dch
nh hoỏ dựng cho trm bm thu lc trong khai thỏc than hm lũ

14
V+
GND
U7
R2
R3
C11

ADC > Phát hiện Pin yếu > Đa ra cảnh báo màn hình
CPU > Phát hiện Pin yếu không đủ làm việc > Tắt CPU

Hỡnh 6: Khi giỏm sỏt ngun pin
õy ngun V+ luụn c o bng mt kờnh ADC v a ra cnh bỏo pin yu
trờn mn LCD. Ngng cnh bỏo cn tớnh toỏn mỏy o vn tip tc lm vic n
nh khong vi gi cho n khi thay pin mi. Khi V+ ó xung ti mc khụng to
c in ỏp n nh cho khi o lng thỡ mch Voltage-Detector s kớch hot ngt
NMI v CPU s dng ton b hot ng
trỏnh gõy sai sút trong s liu o. õy
mch Voltage-Detector c chn l loi dũng thp, ch khong 1àA
Khi o lng.
Khi ny m nhn nhim v o giỏ tr ỏp sut tỏc ng lờn u o. S
nguyờn lý c trỡnh by trờn hỡnh 2.5. ỏp ng yờu cu gim thiu dũng tiờu th
n ti a, cỏc bin phỏp sau ó c thc hin:
2
3
1
A
U2A
R8
R9
R10
R5
R11
V+
GND
R7
R6
R4

I
ADC > Giá trị
á
p
suất
Ure f
Cấp nguồn đo
Cấp dòng đo
CP
U
Đầu đo
áp suất
Mạch đo

Hỡnh 7: Khi o lng
o u o ỏp lc l loi cu Piezo-Resistive vi tr khỏng vo khong
4k, nuụi bng ngun dũng 0.1-1mA, nhy 200mV vi dũng
nuụi 1mA cho ton di o ca hóng SENSOR-ONE (UK). õy l
loi u o OEM cho ra tớn hiu thụ trc tip t cu in tr, rt phự
Báo cáo đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo áp suất cột chống đơn và bộ điều khiển pha trộn dung dịch
nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong khai thác than hầm lò”

15
hợp với mạch dùng nguồn pin. Các loại đầu đo áp suất đã được xử lý
tín hiệu với đầu ra 4-20mA hoặc 0-5VDC đều đòi hỏi nguồn nuôi tối
thiểu 9VDC.Như vậy ta có thể cấp dòng nhỏ, chừng 0.4mA là đã có
đầu ra 80mV ứng với toàn dải đo, qua khuyếch đại khoảng 25 lần (1
tầng khuyếch đại) để đưa ra 2VDC là phù hợp cho mạch ADC với
điện áp chuẩn 2.5VDC. Như
vậy có thể thấy dòng cấp cho đầu đo có

giá trị khá lớn và là phần khá lớn trong dòng tiêu thụ tổng cộng là
khoảng 1mA cho cả máy đo.
Bảng thông số kỹ thuật của đầu đo do hãng SENSOR-ONE (UK) chế tạo:


Báo cáo đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo áp suất cột chống đơn và bộ điều khiển pha trộn dung dịch
nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong khai thác than hầm lò”

16

o Theo nguyên tắc đã đưa ra trong mục 2.2.1. là chỉ cấp nguồn cho
khối đo lường khi cần để giảm thiểu dòng tiêu thụ trung bình của cả
máy. Như vậy nguồn dòng cho đầu đo và nguồn áp cho mạch
khuyếch đại thuật toán cũng như mạch tạo điện áp chuẩn (Uref) đều
bị “khóa” khi không dùng đến, khi đó chỉ còn vài µA dòng rò qua
các “khóa”. Tần suất sử dụng của khối đo l
ường chỉ là 2 lần/giây
trong chế độ đo thông thường nên dòng tiêu thụ trung bình của cả
máy đo sẽ giảm đi rất nhiều. Ví dụ thời gian đo là 50ms thì dòng
trung bình của mạch đo chỉ còn 1/10 so với dòng làm việc của mạch.
• Màn hiển thị LCD và Khối điều khiển LCD.
Sử dụng phương án hiển thị bằng LCD để giảm thiểu dòng tiêu thụ. Đối với
máy đo DMM1, mô đ
un LCD phải đáp ứng các yêu cầu sau:
9 Hiển thị được giá trị hiện tại và giá trị đỉnh (Min, Max) đã đo được,
9 Hiển thị đơn vị đo tùy chọn theo thói quen của người sử dụng (áp suất là
đại lượng vật lý có nhiều đơn vị đo : Bar, MPa, Psi, At, kg/cm
2
)
9 Hiển thị được các chế độ làm việc khác nhau: SetMode, đo nhanh, đo

chậm
9 Nhỏ gọn, phù hợp với nguồn pin 3VDC
Có thể dùng các LCD ma trận điểm thông thường với khả năng hiển thị đồ họa
linh hoạt, nhưng những LCD này có kích thước lớn làm cho kích thước cả máy đo lớn
lên. Mặt khác những LCD này là loại tích hợp sẵn vi mạch điều khiển sử d
ụng nguồn
5VDC với dòng tiêu thụ khá lớn (hàng mA) không phù hợp với nguồn pin 3VDC. Đề
tài đã chọn loại LCD chuyên dụng cho máy đo, hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu đã nói
trên và hiển thị theo nguyên tắc quét hàng 4 hàng x 21 segment với các segment được
bố trí thành mặt LCD như sau:
Báo cáo đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo áp suất cột chống đơn và bộ điều khiển pha trộn dung dịch
nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong khai thác than hầm lò”

17

Khi đó việc điều khiển mô đun LCD này sẽ được thực hiện bằng khối điều
khiển chuyên dụng. Khối này liên kết với vùng LCD RAM (do CPU cập nhật), giải
mã dữ liệu thành mã hiển thị theo segment cho mỗi dòng và đưa ra điều khiển dòng
tương ứng. Khi không làm việc (chế độ Stand-by), nguồn cấp cho khối này cũng được
ngắt để tiết kiệm dòng tiêu thụ. Khối này có thể
do một chip IC chuyên dụng thực
hiện hoặc được tích hợp luôn vào thành một khối chức năng của CPU.
R
R
R
R
LCD_ON
VA
VB
VC

VD
V+
COM 0
COM 1
COM 2
COM 3
LCD
4 hàng x 21 segment
S0
S20
CPU

Hình 8: Khối điều khiển LCD
• Khối CPU
Đối với các yêu cầu đặt ra cho một máy đo áp suất, vấn đề tốc độ đo và tính
toán không đòi hỏi phải nhanh. Khi cần giám sát một đại lượng áp suất đang thay đổi
nhanh, ví dụ khi đang bơm dung dịch vào cột chống, tần suất đo có thể hàngkHz.
Nhưng khi đo một áp suất ổn định, ví dụ đo kiểm tra áp lực trong m
ột cột chống, tần
suất đo và cập nhật hiển thị chỉ là vài lần trên 1 giây (ví dụ 2 lần/giây). Tiêu chí đặt ra
để lựa chọn CPU là phù hợp với nguồn pin 3VDC và có dòng tiêu thụcàng thấp càng
tốt. CPU phải có nhiều chế độ “Low Power” để chỉ vào chế độ “Active” khi cần đo và
Báo cáo đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo áp suất cột chống đơn và bộ điều khiển pha trộn dung dịch
nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong khai thác than hầm lò”

18
ngay sau khi đo xong thì vào vào chế độ “Low Power” để chỉ duy trì hiển thị LCD và
quét phím. Khi không làm việc, CPU ở chế độ “Off” với dòng tiêu thị chỉ vài µA.
Hình 2.7. là ví dụ về một chip CPU như vậy

Hình 9: Dòng tiêu thụ trong các chế độ khác nhau của chip CPU
• Bàn phím
Bàn phím của DMM1 gồm2 phím phục vụ quá trình cài đặt tham số hệ thống
cũng như lựa chọnchế độ làm việc. Phần này và phần LCD hiển thị được nói kĩ hơn ở
tài liệu hướng dẫn sử dụng.
• Khả năng mở rộng
Để đáp ứng khả năng mở rộng của máy đ
o với những tính năng khác như lối ra
cảnh báo, truyền thông, lối ra dòng để nối với trung tâm đo lường từ xa nhằm mục
đính phát triển các sản phẩm khác trên nền tảng máy đo DMM1, tất cả các I/O còn lại
của CPU (có cả Analog và Digital) đều được đưa ra “jắc mở rộng” để dễ dàng kết nối
với mô đun mở rộng để tạo ra một thiết bị khác tích hợp thêm vớ
i các chức năng như
đã kể trên.
Trong bo mạch của máy đo DMM1có sẵn cổng truyền thông RS485/Modbus
để kết nối mạng với các thiết bị khác trong những hệ thu thập dữ liệu qua mạng truyền
thông công nghiệp. Chip RS485 cũng được chọn phù hợp với điện áp nguồn pin
3VDC với dòng tiêu thụ cực nhỏ ở chế độ Slave. Lối ra A/B của cổng RS485 được
bảo về bởi m
ạch chuyên dụng chống nhiễu điện áp cao
• Phần mềm nhúng
Phần mềm nhúng của áp kế số DMM1 bao gồm các mô đun chức năng đo
lường + xử lý số kết quả đo, lưu trữ Min/Max và hiển thị. Ngoài ra còn có mô đun cho
Báo cáo đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo áp suất cột chống đơn và bộ điều khiển pha trộn dung dịch
nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong khai thác than hầm lò”

19
chế độ cài đặt. Phần mềm này tận dụng các ngắt để chuyển đổi giữa các chế độ làm
việc “Active”; “Low Power” và “Off” nhằm giảm tối đa dòng tiêu thụ từ nguồn pin.
• Thiết kế mạch in

Mạch in được thiết kế đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn tia lửa TCVN-7079.
2.2.2 Tính năng kỹ thuật
Sản phẩm áp kế số DMM1 sau khi chế tạo đã được cấp ch
ứng nhận kiểm định
vềđo lường và kiểm định đạt tiêu chuẩn an toàn trong môi trường có khí cháy nổ (xin
xem phần phụ lục). Các tính năng kỹ thuật cơ bản của máyđo DMM1 đạt được như
sau:

Hình 10: Hình ảnh áp kế số DMM1

Chế độ làm việc:
Thiết bị này được sử dụng trong 2 chế độ:
Chế độ MANO
:
Áp suất được đo 2 lần trên giây và được hiển thị. Phía trên màn hiển thị chỉ thị áp suất
thực, phía dưới màn hiển thị biểu diễn áp suất lớn nhất hoặc nhỏ nhất từ lần RESET
cuối cùng.
Chế độ PEAK
:
Báo cáo đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo áp suất cột chống đơn và bộ điều khiển pha trộn dung dịch
nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong khai thác than hầm lò”

20
Áp suất được đo 5000 lần trên giây và được đưa ra hiển thị 2 lần trong 1 giây. Phía
trên màn hiển thị biểu thị áp suất thực, phía dưới là áp suất đỉnh (lớn nhất) hoặc áp
suất đáy (nhỏ nhất).
Thiết bị có những chức năng sau:
RESET
: Giá trị lớn nhất, nhỏ nhất được đặt theo giá trị áp suất thực tế.
ZERO

: Chức năng ZERO cho phép thiết lập bất cứ giá trị áp suất nào thành 1 tham
chiếu điểm không, từ đó bù độ lệch áp suất của khí áp kế.
CONT
: Thiết bị sẽ tắt 15 phút sau lần tác động phím chức năng cuối cùng. Kích hoạt
CONT (tiếp tục) để vô hiệu hóa chức năng tắt tự động này.
UNITS
: Áp suất có thể được chỉ thị bằng các đơn vị sau: bar, mbar, Pa, kPa, MPa,
PSI, kp/cm
2
.
Đặc tính kỹ thuật
Dải đo: -1…500 bar. Độ phân giải: 200 mbar
Dải sai số tổng (0…50
0
C): < 0.2 % FS
Nguồn: Pin 3V, CR2430
Dòng tiêu thụ trung bình trong chế độ MANO: 0.22mA
Dòng tiêu thụ trong chế độ PEAK: 1.4mA
Dòng tiêu thụ trong chế độ OFF: 4µA
Đầu nối áp suất: G1/4” (theo đầuđo áp suất)
Kích thước: Đường kính x Chiều caoxChiều sâu: 76x 118x 42mm
Nhiệt độ bảo quản/ làm việc : -20 70°C/0 50 ° C .

Báo cáo đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo áp suất cột chống đơn và bộ điều khiển pha trộn dung dịch
nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong khai thác than hầm lò”

21
Chng3:THITKCHTOHTHNGPHITRNDUNG
DCHNHŨHOÁ
3.1 Thiết kế tổng thể
Trên hình 1.2 đã đưa ra Sơ đồ hệ thống định lượng pha trộn dung dịch trong
trạm bơm. Trước mắt hệ thống này sẽ được thử nghiệm tại một trạm bơm trên mặt đất
trong môi trường không có khí cháy nổ, nhưng hệ thống sẽ phải được thiết kế để có
thể sử dụng tại trạm bơm trong h
ầm lò. Với định hướng như vậy liên quan đến vấn đề
an toàn, các cụm thiết bị của hệ thống được phân hoạc như sau:
- Tủ điều khiển gồm
o Bộ điều khiển PTTĐ kết nối với các tín hiệu cân, nhiệt độ, báo mức
Tính toán và đưa ra tín hiệu điều khiển các van , còi/đèn cảnh báo, bơm
cấp Bộ đi
ều khiển PTTĐ phải hướng tới đạt chuẩn an toàn tia lửa. Các
tín hiệu lối ra công suất thấp phải đạt chuẩn an toàn. Nguồn cấp cho Bộ
điều khiển PTTĐ phải được lấy từ một bộ cấp nguồn an toàn phòng nổ.
o Khối công suất kết nối đầu ra công suất thấp của bộ điều khiển qua các
mạch công suất như rơ le, SSR v
ới các thiết bị chấp hành (van nước, van
dầu, đèn/còi cảnh báo; liên động kết nối bơm cấp nước/dầu và bơm áp
lực ) . Khối này khi đặt trong môi trường cháy nổ phải có vỏ đạt tiêu
chuẩn an toàn phòng nổ. Trước mắt khi lựa chọn linh kiện, thiết kế mạch
nguyên lý, thiết kế mạch in và thiết kế khung vỏ với các giắc nối cáp
vào/ra cần tuân thủ các yêu cầu về an toàn.
-
Các thiết bị vào/ra

o Thiết bị đầu vào là các loadcell từ các thùng cân nước và cân dầu; đầu
đo nhiệt độ PT100 và bộ phao báo tín hiệu đầy vơi từ bể chứa dung
dịch. Trước mắt sử dụng các thiết bị loại thông thường. Khi đặt trong
hầm lò sẽ phải sử dụng loại an toàn
o Thiết bị chấp hành đầu ra gồm van cân và van nước. Trước mắt sử dụng
các thiế
t bị loại thông thường. Khi đặt trong hầm lò sẽ phải sử dụng loại
an toàn
- Các thiết bị cơ khí
o Si lô cân nước và cân dầu cùng hệ thống ống cấp/xả
o Khung treo các silô và hệ thống ống.
Báo cáo đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo áp suất cột chống đơn và bộ điều khiển pha trộn dung dịch
nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong khai thác than hầm lò”

22

a. Xây dựng các tính năng cơ bản của Bộ điều khiển
Như đã được đề cập trong chương 1, nhiệm vụ chính của bộ điều khiển pha
trộn tự động (PTTĐ) là khả năng điều khiển tự động toàn bộ quá trình pha trộn nhằm
đảm bảo lượng dung dịch phối trộn và nồng độ dung dịch phối trộn luôn nằ
m trong
phạm vi cho phép. Ngoài ra, bộ điều khiển PTTĐ còn có những tính năng cơ bản sau:
- Khả năng đo và hiển thị
o Lượng nước có trên thùng chứa nước
o Lượng dầu có trên thùng chứa dầu
o Nhiệt độ trong bể chứa
o Hiển thị thông báo lỗi trong quá trình pha trộn
- Khả năng giám sát
o Cảnh báo nếu nhiệt độ vượt 50
0

C
o Cảnh báo nếu lượng nước hoặc dầu chứa trên thùng không đủ cho
mẻ pha trộn
- Cài đặt các tham số
o Các tham số của loadcell
o Khối lượng dung dịch cần pha trộn
o Nồng độ dung dịch pha trộn
o Cho phép lưu trữ các thông số đã cài đặt
- Thiết kế hướng đến chuẩn an toàn tia lửa để có thể sử dụng trong hầm lò

b. Sơ đồ khối bộ điều khiển
Trên cơ sở các tính năng đã được xác định như trên, đặc biệt là tính năng đạt chuẩn
an toàn tia lửa để có thể sử dụng cho hầm lò, đề tài đã xây dựng được sơ đồ khối bộ
điều khiển PTTĐ được thể hiện trên hình 3.1

Báo cáo đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo áp suất cột chống đơn và bộ điều khiển pha trộn dung dịch
nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong khai thác than hầm lò”

23
+12V
OPTO
OPTO
-12V
GND
+5V
-5V

Hình 11: Sơ đồ khối bộ điều khiển PTTĐ
Các module cơ bản:
- Module Calculate& Control, nhận các tín hiệu tương tự từ các thiết bị đo, xử

lý tính toán và điều khiển mọi hoạt động của bộ PTTĐ
- Module Display lấy dữ liệu từ module Main gửi lên phục vụ việc hiển thị và
giao tiếp người dùng
- Khối nguồn tạo nguồn cung c
ấp đạt chuẩn an toàn phòng nổ cho các module
trong hệ thống hoạt động
c. Các thông số kỹ thuật cơ bản
- Input
o Đầu vào tương tự: 2 đầu vào cho loadcell và 1 đầu vào cho PT100
o Đầu vào số: 8 đầu vào số cách ly điện áp tới 2.5kV
- Output
o 8 đầu ra số cách ly điện áp tới 2.5kV
- Nguồn nuôi
o Input: 9 – 36V DC được lấy từ nguồn phòng nổ VIELINA-PCO do
công ty Elatec chế tạo
Báo cáo đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo áp suất cột chống đơn và bộ điều khiển pha trộn dung dịch
nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong khai thác than hầm lò”

24
o Output: cho vi mạch số
cho mạch khuếch đại

nguồn nuôi loadcell và can nhiệt
- Hiển thị
o 2x4 LED 7 Segments độ sáng cao
- Bàn phím
o Gồm 4 phím cho việc cài đặt thông số và xem dữ liệu
- Bộ nhớ lưu tham số hệ thống
o EEROM 2kBytes

3.2 Thiết kế phần cứng Bộ điều khiển

a. Nguyên tắc thiết kế chế tạo
Môi trường hầm lò là môi trường khắc nghiệt có độ ẩ
m cao, có khí bụi nổ, thời
gian hoạt động liên tục, nên sản phẩm đề tài được thiết kế để đảm bảo tiêu chuẩn
khắt khe về an toàn tia lửa TCVN-7079, đồng thời phải có khả năng hoạt động ổn
định theo thời gian. Từ thực tế trên, việc thiết kế chế tạo phải tuân thủ các nguyên tắc:
- Thiết bị phải đạt tiêu chuẩn an toàn tia lửa Ex “ia”I theo tiêu chuẩn TCVN-
7079
- Thiết bị phải làm việc chính xác, hoạt động ổn định theo thời gian
- Lưu trữ tham số khi thay đổi và không mất dữ liệu khi mất điện
- Các tính năng hiển thị và cảnh báo phải rõ ràng
- Dễ dàng vận hành
b. Lựa chọn linh kiện và thiết kế từng khối
Căn cứ vào nguyên tắc thiết kế, việc chọn lựa linh kiện nh
ằm đảm bảo các mục
tiêu:
- Đảm bảo yêu cầu của tiêu chuẩn TCVN-7079
- Linh kiện phải có tính năng tốt, tiêu thụ ít năng lượng, kích thước nhỏ gọn,
làm việc chính xác và ổn định
- Các linh kiện phổ biến trên thị trường

 Lựa chọn và thiết kế mạch khuếch đại đo lường