Trang bị điện và truyền thông trong mô hình hệ thống hồi lưu nước nóng dân dụng

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các thầy cô giáo trong
trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông – Đại học Thái Nguyên nói
chung và các thầy cô giáo trong Khoa Công nghệ Tự động hóa nói riêng đã tận
tình giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong
suốt thời gian qua.
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn tới ThS. ĐỖ THỊ MAI, cô đã tận tình giúp đỡ,
trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp. Trong quá
trình làm việc với cô, em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà
còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu
quả, đây là những điều rất cần thiết cho em trong quá trình học tập và làm việc sau
này.
Sau cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã động viên, góp ý, giúp
đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đồ án tốt nghiệp.
Do thời gian hoàn thành đồ án có giới hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót
nên em rất mong được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn để đồ án tốt
nghiệp của em được hoàn thiện hơn.
Thái Nguyên, tháng 6 năm 2016
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Thảo

1


2


LỜI CAM ĐOAN
Em – Nguyễn Thị Thảo - cam kết ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP là công trình nghiên
cứu của bản thân em dưới sự hướng dẫn của ThS. ĐỖ THỊ MAI.

Các kết quả nêu trong ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP là trung thực, không sao chép
toàn văn của bất kỳ công trình nào khác, nếu sai em xin chịu hoàn toàn trách
nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật của nhà trường.
Thái Nguyên, tháng 6 năm 2016
Người cam đoan

Nguyễn Thị Thảo

3


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN

i

LỜI CAM ĐOAN ii
MỤC LỤC

iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH v
DANH MỤC BẢNG
LỜI NÓI ĐẦU

vii

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT 2

1.1. Tổng quan về hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu SCADA
2
1.1.1. Khái quát chung về SCADA

2

1.1.2. Sự phân cấp quản lý của hệ thống SCADA
1.1.3. Phần cứng hệ thống SCADA

5

1.1.4. Phần mềm hệ thống SCADA

6

1.1.5. Truyền tin trong hệ SCADA

7

1.2. Thiết bị điều khiển cấp trường
1.2.1. Cảm biến

5

8

8

1.2.2. Cơ cấu chấp hành 14
1.3. Thiết bị cấp điều khiển 17

1.4. Thiết bị cấp giám sát 21
CHƯƠNG 2: TRANG BỊ ĐIỆN VÀ TRUYỀN THÔNG CHO MÔ HÌNH HỆ
THỐNG HỒI LƯU NƯỚC NÓNG DÂN DỤNG
2.1. Hệ thống hồi lưu nước nóng dân dụng

23

23

2.1.1. Tổng quan 23
2.1.2. Sơ đồ công nghệ của hệ thống

25

2.1.3. Quy trình hoat động hệ thống

26

2.1.4. Sơ đồ khối của hệ thống mô hình hồi lưu nước nóng dân dụng
2.2. Thiết kế mô hình hệ thống hồi lưu nước nóng dân dụng
4

27

26


2.2.1. Phân tích yêu cầu trang bị điện cho mô hình hồi lưu nước nóng dân dụng
28
2.2.2. Lựa chọn thiết bị 28

2.3. Thiết kế mô hình mach điện cho hệ thống mô hình hồi lưu nước nóng dân
dụng 42
2.3.1. Sơ đồ cung cấp điện cho toàn bộ hệ thống
2.3.2. Sơ đồ đấu nối chi tiết

42

43

2.3.3. Sơ đồ kết nối thiết bị hệ thống hồi lưu nước nóng
2.3.4. Mạng Ethernet

47

KẾT LUẬN 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

5

47


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống SCADA 2
Hình 1.2 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển và giám sát 5
Hình 1.3 Cấu trúc phần mềm hệ thống điều khiển và giám sát SCADA
Hình 1.4. Cấu tạo của cặp nhiệt điện
Hình 1.5. Cặp nhiệt điện

7

9

9

Hình 1.6. Cấu tạo của nhiệt điện trở RTD10
Hình 1.7. Cảm biến nhiệt điện trở RTD 10
Hình 1.8. Cấu tạo bán dẫn 10
Hình 1.9. Sơ đồ đo mức theo phương pháp thủy tĩnh
Hình 1.10. Cảm biến độ dẫn

11

13

Hình 1.11. Cảm biến đo mức bằng tia bức xạ

14

Hình 1.13. Cấu trúc bộ điều khiển PLC 18
Hình 1.14. Ghép nối vào/ra với PLC

18

Hình 1.15. Hệ thống điều khiển sử dụng PLC

19

Hình 1.16. Mối quan hệ giữa các ngôn ngữ lập trình PLC

20

Hình 2.1. Sơ đồ điều khiển hệ thống hồi nước nóng nhiều trục.
Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống

24

25

Hình 2.3: Sơ đồ khối của hệ thống 26
Hình 2.4. Mô hình hồi lưu nước nóng dân dụng 28
Hình 2.5. Hình ảnh dây may-so

28

Hình 2.6. Relay trung gian 29
Hình 2.7. Sơ đồ khối Relay trung gian

30

Hình 2.8. Cảm biến đo nhiệt độ NTC-MF58

31

Hình 2.9. Mạch cấp tín hiệu dạng điện áp (V) analog cho PLC hoặc MCU xử lý
31
Hình 2.10. Van điện một chiều

33

6


Hình 2.11. Cấu tạo của van 33
Hình 2.12. Van thường mở 2 vị trí 33
Hình 2.13. Động cơ bơm mini 12 VDC 40
Hình 2.14. Cảm biến phao 41
Hình 2.15. Bộ nguồn

41

Hình 2.16. PLC S7-1200, CPU 1214C DC/DC/DC

42

Hình 2.17. Sơ đồ cung cấp nguồn điện cho hệ thống

43

Hình 2.21. Sơ đồ cung cấp nguồn cho PLC
Hình 2.22. Sơ đồ kết nối giữa PC-PLC

47

Hình 2.23. Tiết diện ngang cáp STP

48

47

Hình 2.24. Cáp đôi dây xoắn STP 48
Hình 2.25. Giao thức UART

48

Hình 2.26. Mã hóa bit Manchester II

49

Hình 2.27. Hộp thoại “Add new device” 50
Hình 2.28. Cổng mạng Ethernet

50

Hình 2.29. Gán địa chỉ IP cho CPU
Hình 2.30. Gán địa chỉ cho PC

51

51

Hình 2.31. Kết nối giữa PC-PLC 52
Hình 2.32. Kết nối giữa PLC-HMI52
Hình 2.33. Kết nối mạng trực tuyến của hệ thống
Hình 2.34. Hộp thoại “Accessible device”

7

53

53


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Các thông số kĩ thuật của dây may-so 29
Bảng 2.2: Các thông số kỹ thuật của relay trung gian

29

Bảng 2.3: So sánh các thiết bị cảm biến đo nhiệt độ

30

Bảng 2.4: Các thông số kỹ thuật của cảm biến đo nhiệt độ NTC-MF58
Bảng 2.5: Bảng giá trị tương ứng RT của cảm biến NTC-MF58
Bảng 2.6: Các thông số kỹ thuật của van điện từ 33
Bảng 2.7: Các thông số kỹ thuật của động cơ bơm

40

Bảng 2.8: Các thông số kỹ thuật của cảm biến phao

41

8

32

31

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay khoa học kĩ thuật phát triển rất mạnh mẽ và được ứng dụng trong tất
cả các lĩnh vực của cuộc sống. Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật để tăng năng suất
lao động, tiết kiệm chi phí, năng lượng và đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của
con người là rất cần thiết, bên cạnh đó khoa học kĩ thuật cũng được ứng dụng rất
lớn trong cuộc sống hàng ngày cũng như trong công nghiệp sản xuất và quân
sự…Đặc biệt trong công nghiệp, khoa học kỹ thuật ngày càng được phát triển
mạnh mẽ như: Hệ thống cảm biến, hệ thống chuyển động linh hoạt, hệ thống điều
khiển thông minh…
Xuất phát từ tình hình thực tế việc sử dụng nước nóng trong các tòa nhà cao
tầng, các khách sạn vừa và nhỏ, em đã nghiên cứu và thực hiện đề tài: “Trang bị
điện và truyền thông trong mô hình hệ thống hồi lưu nước nóng dân dụng”.
Đây chỉ là một phần trong việc xây dựng hệ thống nước nóng dân dụng , tuy vậy
em mong rằng với đề tài này em sẽ củng cố được kiến thức đã học được trong
trường và ứng dụng trong sản xuất.
Trong thời gian thực hiện đồ án do thời gian làm có hạn và kiến thức của bản
thân còn hạn chế, nhưng với sự nỗ của bản thân, cùng với sự hướng dẫn tận tình
của Cô giáo hướng dẫn, sự giúp đỡ nhiệt tình của bạn bè, em đã hoàn thành được
cơ bản các yêu cầu đặt ra của đồ án.
Trong đồ án không tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy em rất mong nhận được sự góp
ý, chỉ bảo của các thầy, cô giáo để có thể hoàn thành đồ án này với kết quả tốt hơn nữa.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn Cô giáo hướng dẫn: Th.S Đỗ Thị Mai,
cùng các thầy cô giáo trong bộ môn và các bạn bè đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án
này.
Thái nguyên, tháng 6 năm 2016
Sinh viên
9

Nguyễn Thị Thảo

10


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT
1.1. Tổng quan về hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu SCADA
1.1.1. Khái quát chung về SCADA
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition): Là một hệ thống điều
khiển, giám sát và thu thập dữ liệu, nói cách khác là một hệ thống hỗ trợ con người
trong việc giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thông
thường. Để có thể điều khiển và giám sát từ xa thì hệ thống SCADA phải có hệ
thống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng như hệ giao diện người – máy (HMI –
Human Machine Interface).

11


Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống SCADA
Trong hệ thống điều khiển giám sát thì HMI là một thành phần quan trọng
không chỉ ở cấp điều khiển, giám sát mà ở các cấp thấp hơn người ta cũng cần giao
diện người – máy để phục vụ cho việc quan sát và thao tác vận hành ở cấp điều
12


khiển cục bộ. Vì lý do giá thành, đặc điểm kỹ thuật nên các màn hình vận hành
(OP – Operator Panel), màn hình sờ (TP – Touch Panel), Multi Panel … chuyên
dụng được sử dụng nhiều và chiếm vai trò quan trọng hơn.
Nếu nhìn nhận SCADA theo quan điểm truyền thống thì nó là một hệ thống
mạng và thiết bị có nhiệm vụ thuần túy là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và

truyền tải về khu trung tâm để xử lý. Trong các hệ thống như vậy thì hệ truyền
thông và phần cứng được đặt lên hằng đầu và cần sự quan tâm nhiều hơn. Trong
những năm gần đây sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ truyền thông công nghiệp
và công nghệ phần mềm trong công nghiệp đã đem lại nhiều khả năng và giải pháp
mới nên trọng tâm của công việc thiết kế xây dựng hệ thống SCADA là lựa chọn
công cụ phần mềm thiết kế giao diện và các giải pháp tích hợp hệ thống.
1.1.1.1. Chức năng và vai trò của SCADA
Mỗi hệ thống sản xuất công nghiệp thường được tổ chức theo nhiều cấp quản lý.
Mỗi cấp có nhiệm vụ đo lường, thu thập và điều khiển giám sát riêng lên từng đối
tượng cụ thể của hệ thống. Chính vì thế SCADA cho một hệ thống sản xuất công
nghiệp cũng được phân ra từng cấp SCADA cụ thể, tùy vào quy mô của từng cấp mà
có những yêu cầu cụ thể khác nhau song nói chung mỗi cấp SCADA là phải thực hiện
những dịch vụ sau:
 Thu thập số liệu từ xa ( qua đường truyền số liệu) các số liệu về sản xuất và
tổ chức việc lưu trữ trong nhiều loại cơ sở số liệu (số liệu về lịch sử sản xuất, về sự
kiện thao tác, về báo động …).
 Điều khiển và giám sát hệ sản xuất trên cơ sở các dữ liệu đã thu thập được.
 Thực hiện công tác truyền thông số liệu trong và ra ngoài hệ ( đọc/ viết số
liệu PLC/ RTU ( thiết bị đầu cuối điều khiển từ xa), trả lời các bản tin yêu cầu từ
cấp trên về số liệu, về thao tác hệ).
 Nhìn chung SCADA là một sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm theo
một phương thức truyền thông nào đó để tự động hóa việc quản lý giám sát, điều
khiển cho một đối tượng công nghiệp. Và ta nhận thấy rằng xu thế tự động hóa là
13


một xu thế không thể tránh khỏi do vậy việc áp dụng bài toán SCADA là một việc
làm tất yếu nếu chúng ta không muốn tụt hậu trong sản xuất. Vai trò của nó là rất
rõ ràng, SCADA giúp ta thu thập rất chính xác về hệ thống từ đó có thể đưa ra các
quyết định đúng đắn về hệ, đồng thời ta cũng dễ dàng trong công tác điều khiển và

ra quyết định. Việc làm này sẽ giảm đáng kể việc chi phí về vấn đề nhân lực, về
vận hành, góp phần đáng kể trong việc giảm giá thành sản phẩm, tăng sức cạnh
tranh.
1.1.1.2. Nguyên lý hoạt động của SCADA
a. Cơ chế thu thập dữ liệu
Trong hệ SCADA, quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện trước tiên ở quá
trình các RTU quét thông tin có được từ các thiết bị chấp hành nối với chúng. Thời
gian để thực thi nhiệm vụ này được gọi là thời gian quét bên trong. Các máy chủ
quét các RTU (với tốc độ chậm hơn) để thu thập dữ liệu từ các RTU này.
Để điều khiển, các máy chủ sẽ gửi tín hiệu yêu cầu xuống các RTU, từ đó cho phép
các RTU gửi tín hiệu điều khiển trực tiếp xuống các thiết bị chấp hành thực thi nhiệm
vụ.
b. Xử lý dữ liệu
Dữ liệu truyền tải trong SCADA có thể là dạng liên tục (analog), dạng số
(digital) hay dạng xung (pulse).
Giao diện cơ sở để vận hành tại các thiết bị đầu cuối là một màn hình giao
diện đồ họa GUI (Graphical User Interface) dùng để hiển thị toàn bộ hệ thống
điều khiển, giám sát hoặc các thiết bị trong hệ thống. Tại một thời điểm, dữ liệu
được hiển thị dưới dạng hình ảnh tĩnh, khi dữ liệu thay đổi thì hình ảnh này cũng
thay đổi theo.
Trong trường hợp dữ liệu của hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian, hệ
SCADA thường hiển thị quá trình thay đổi dữ liệu này trên màn hình giao diện đồ
họa (GUI) dưới dạng đồ thị.
Một ưu điểm lớn của hệ SCADA là khả năng xử lý lỗi rất thành công khi hệ
14


thống xảy ra sựu cố. Nhìn chung, khi có sự cố hệ SCADA có thể lựa chọn một
trong các cách xử lý sau:
Sử dụng dữ liệu cất giữ trong các RTU: trong các hệ SCADA có các RTU có

dung lượng bộ nhớ lớn, khi hệ thống hoạt động ổn định dữ liệu sẽ được sao lưu
vào trong bộ nhớ của RTU. Do đó, khi xảy ra lỗi thì các RTU sẽ sử dụng tạm dữ
liệu này cho đến khi hệ thống hoạt động trở lại bình thường.
Sử dụng các phần cứng dự phòng của hệ thống: hầu hết các hệ SCADA đều
được thiết kế thêm các bộ phận dự phòng, ví dụ như hệ thống truyền thông hai
đường truyền, các RTU đôi hoặc hai máy chủ… do vậy, các bộ phận dự phòng này
sẽ được đưa vào sử dụng khi hệ SCADA có sự cố hoặc hoạt động offline (có thể
cho mục đích bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra …).
c. Nguyên lý hoạt động.
Khi các thiết bị đang vận hành vi phạm các giới hạn cho phép của các thông
số kỹ thuật hoặc bị sự cố, hệ thống tự động đưa ra các tín hiệu cảnh báo dạng
chuông, còi, hiển thị nội dung cảnh báo bằng những dòng lệnh theo màu sắc và
nhấp nháy, điều này giúp cho các kỹ sư điều hành hệ thống có những hành động
ứng xử kịp thời để đưa các thiết bị trở lại trạng thái vận hành bình thường hoặc
đưa các thiết bị dự phòng vào hoạt động thay thế nhằm đảm bảo cho hệ thống
vẫn làm việc ở trạng thái ổn định và kinh tế. Tất cả các sự kiện xảy ra đối với các
thiết bị trên hệ thống, các chế độ vận hành hệ thống đều được lưu trữ động theo
trật tự thời gian, có độ chính xác đến từng mili giây (ms), có thể truy xuất khi cần
thiết dưới dạng các bảng biểu, đồ thị giúp cho quá trình xử lý và phân tích sự cố
được chính xác.
1.1.2. Sự phân cấp quản lý của hệ thống SCADA
Việc giám sát, thu thập số liệu và điều khiển là rất cần thiết đối với một hệ
thống công nghiệp bất kỳ. Việc sử dụng một hệ thống điều khiển trung tâm để đảm
nhiệm tất cả các chức năng giám sát và điều khiển hết sức phức tạp. Chính vì vậy,
tùy theo mức độ quan trọng và yêu cầu những tính năng giám sát, điều khiển mà
15


các chức năng giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu được phân phối và phân cấp cho
các thiết bị khác nhau.

Hình 1.2 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển và giám sát
1.1.3. Phần cứng hệ thống SCADA
Một hệ thống SCADA bao gồm một số các thiết bị đầu cuối RTUs ( Remote
Termote Terminal Units) làm nhiệm vụ thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu quay trở lại
16


trạm chủ thông qua một hệ thống truyền thông. Trạm chủ hiển thị các dữ liệu thu
được và cho phép người vận hành thực hiện các nhiệm vụ điều khiển từ xa.
Các dữ liệu chính xác và kịp thời cho phép tối ưu hóa các hoạt động nhà máy và
quá trình. Lợi ích khác của hệ thống SCADA là hiệu quả hơn, độ tin cậy cao, chi
phí thấp và quan trọng nhất là an toàn hơn trong hoạt động.
Một hệ thống SCADA phức tạp có năm cấp độ cơ bản sau:
- Thiết bị đo và thiết bị điều khiển.
- Trạm đầu cuối và thiết bị đầu cuối RTU.
- Hệ thống truyền thông.
- Các trạm thu thập dữ liệu.
- Hệ thống xử lý dữ liệu.
1.1.4. Phần mềm hệ thống SCADA
Phần mềm SCADA có thể được chia thành hai loại, thuộc quyền sở hữu hoặc
nguồn mở. Các phần mềm thuộc quyền sở hữu là các phần mềm SCADA nhà cung
cấp hệ thống SCADA thiết kế ra giao tiếp với phần cứng của họ. Vấn đề chính với
hệ thống này là sự phụ thuộc quá nhiều vào các nhà cung cấp hệ thống. Vì vậy các
phần mềm mở được sử dụng phổ biến hơn vì khả năng tương tác của họ mang lại
cho hệ thống. Thường các phần mềm mở có khả năng trộn các nhà sản xuất thiết bị
khác nhau trên cùng một hệ thống.
Citect và WonderWare chỉ là hai trong số những gói phần mềm mở sẵn trên thị
trường cho các hệ thống SCADA. Một số gói phần mềm hiện nay bao gồm cả quản
lý tài sản tích hợp trong hệ thống SCADA.

Phần mềm SCADA sẽ bao gồm những phần chính sau:
- Giao diện người sử dụng.
- Đồ họa.
- Các cảnh báo (Alarms).
- Các đồ thị (Trends).
- Giao diện cho thiết bị đầu cuối RTU và PLC.
17


- Khả năng mở rộng.
- Phương thức truy cập dữ liệu.
- Cơ sở dữ liệu.
- Mạng truyền thông.
- Lỗi và dự phòng.
- Quá trình phân phối máy chủ/ khách.

Hình 1.3 Cấu trúc phần mềm hệ thống điều khiển và giám sát SCADA
1.1.5. Truyền tin trong hệ SCADA
Ngoài việc sử dụng các máy tính công nghiệp, các server, thiết bị mạng … ở
phòng theo dõi trung tâm. Một bộ phận không thể thiếu được trong hệ SCADA là
hệ thống truyền tin. Nó liên quan đến tính ổn định và sự chính xác của hệ thống.
Vì vậy, một hệ truyền tin được chọn trong hệ SCADA phải thỏa mãn các tiêu
chuẩn như: giải tốc độ truyền, giao thức truyền thông, truyền đồng bộ hay dị bộ,
khoảng cách địa lý … Hệ thống truyền tin được chọn phải tương thích với thiết bị
trường và máy chủ Server. Một số thiết bị có thể sử dụng được để truyền dữ liệu
trong hệ SCADA như sau: Modem RDT (Radio Data Technology) của Anh quốc
18


có các loại truyền sóng Radio, vô tuyến, các thiết bị thu phát sóng của Motorola,

các bộ RTU, GPS. Tùy theo mô hình, tùy theo phạm vituwngf hệ SCADA mà ta áp
dụng từng loại thiết bị trên sẽ phát huy hết tính năng tác dụng của nó.
Hệ thống SCADA cấp quốc gia và miền dùng các RTU được thiết kế đặc biệt.
Ngoài ra, với nhiều hệ SCADA dùng PLC dùng thủ tục truyền tin là Profibus.
- Truyền tin số:
Truyền tin số là truyền đi các bản tin số (mã dưới dạng bit, byte …) tù nơi phát
đến nơi thu có những tín hiệu truyền để đảm bảo truyền số liệu.
Truyền từ ứng dụng này đến một ứng dụng khác, trong truyền tin công nghiệp
thường là: Giữa một ứng dụng chủ với ứng dụng slave hay giữa một ứng dụng
khách hàng với ứng dụng server phục vụ hoặc giữa các ứng dụng chủ với các ứng
dụng slave của mỗi master với nhau, hay giữa các master với nhau.
- Truyền tin hiện trường:
Việc truyền tin hiện trường nhằm đảm bảo việc máy chủ thường xuyên thông tin
với các PLC hay RTU.
Các thông tin được thống nhất theo kiểu:
+ Máy chủ gửi từ một bảng tin từng lệnh đến PLC hay RTU trên bus mutidros.
+ PLC hay RTU liên quan thực hiện mỗi lệnh đó và gửi tin trả lời kết quả.
Các bản tin do máy chủ gửi đi thường là lệnh read các loại số liệu của PLC hay
RTU và một vài lệnh write một số hệ số gán địa chỉ hay đơn vị cho các số đó.
Các bản tin tức thời thường được gửi về các số lượng trạng thái đo của PLC hay
RTU hay báo cáo có tình trạng có sai trong bản tin nhận được.
1.2. Thiết bị điều khiển cấp trường
1.2.1. Cảm biến
1.2.1.1. Khái niệm và ứng dụng các loại cảm biến
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vât lý và các đại
lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý được.
Các đại lượng cần đo (m) thường không có tính chất điện ( như nhiệt độ, áp suất…
19

) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện ( như điện
tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng ) chứ đựng thông tin cho phép xác định giá
trị của đại lượng đo. Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m):
s = F(m)
Người ta gọi (s) là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, (m) là đại
lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo). Thông qua đo
đạc(s) cho phép nhận biết giá trị của (m).
1.2.1.2. Các loại cảm biến
a. Cảm biến nhiệt độ
Khái niệm cơ bản về nhiệt độ: nhiệt độ là một trong những đại lượng có ảnh
hưởng rất lớn đến tính chất vật chất. Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong
công nghiệp cũng như trong đời sống hằng ngày việc đo nhiệt độ là rất cần thiết.
Tuy nhiên việc xác định chính xác một nhiệt độ là một vấn đề không đươn giản.
Đa số các đại lượng vật lý đều có thể xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với một
đại lượng cùng bản chất. Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp dựa vào sự
phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ.
 Cặp nhiệt điện (Themocouple)

Hình 1.4. Cấu tạo của cặp nhiệt điện

20


Hình 1.5. Cặp nhiệt điện
- Cấu tạo: Gồm 2 chất kim loại khác nhau, hàn dính một đầu.
- Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi (mV).
- Ưu điểm bền, đo nhiệt độ cao.
- Nhược điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao.
- Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắc nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…
- Tầm đo: -100°C < 1400°C.

Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là dầu nóng (hay đầu
đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh (hay là đầu chuẩn). Khi có sự chênh lệch nhiệt
độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh. Một
vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất
lớn vào chất liệu. Do vậy mới cho ra các chùng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1
sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T.
 Nhiệt điện trở (RTD - Resitance Temperature Detector).

21


Hình 1.6. Cấu tạo của nhiệt điện trở RTD

Hình 1.7. Cảm biến nhiệt điện trở RTD
Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: đồng, nikel, platinum,… được
quấn tùy theo hình dáng của đầu đo. Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu
dây kim loại này sẽ thay đổi và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một
khoảng nhiệt độ nhất định. Phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt được làm từ
Platinum. Platinum có điện trở suất cao, chống oxi hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo
được dài. Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000 ohm. Điện trở càng cao thì độ
nhạy càng cao
RTD có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây.
 Bán dẫn

22


Hình 1.8. Cấu tạo bán dẫn
- Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn.
- Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.

- Ưu điểm: Rẻ tiền, dề chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản.
- Nhược điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền.
- Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng các thiết bị đo, bảo vệ mạch điện tử.
- Tầm đo: -50 ->150°C.
Cảm biến nhiệt bán dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chất bán
dẫn. Có các loại như diode, transistor, IC. Nguyên lý của chúng là dựa trên mức độ
phân cực của các lớp P- N tuyến tính với nhiệt độ môi trường. Ngày nay cùng với
sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rất nhiều loại cảm biến
nhiệt với sự tích hợp của nhiều ưu điểm: độ chính xác cao, chống nhiễu tốt, hoạt
động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẻ tiền…
Ta dễ dàng bắt gặp các cảm biến loại này dưới dạng diode (hình dáng tương tự
Pt100), các loại IC như: LM35, LM335, LM45. Nguyên lý của chúng là nhiệt độ
thay đổi sẽ cho ra điện áp thay đổi. Điện áp này được phân áp từ một điện áp chuẩn
có trong mạch.
Gần đây có cho ra đời IC cảm biến nhiệt độ cao cấp, chúng hỗ trợ luôn cả chuẩn
truyền thông I2C ( DS18b20) mở ra một xu hướng mới trong “ thế giới cảm biến”.
b. Cảm biến đo và phát hiện mức chất lưu.
Mục đích và phương pháp đo.
- Mục đích việc đo và phất hiện mức chất lưu là xác định mức độ hoặc khối
lượng chất lưu trong bình chứa.
Có hai dạng đo: đo liên tục và xác định theo ngưỡng.
- Khi đo liên tục biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo cho biết thể tích chất lưu
còn lại trong bình chứa. Khi xác định theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín hiệu dạng
nhị phân cho biết thông tin về tình trạng hiện tại mức ngưỡng có đạt hay không.
- Có ba phương pháp hay dùng trong kỹ thuật đo và phát hiện mức chất lưu:
23


+ Phương pháp thủy tĩnh dùng biến đổi điện.
+ Phương pháp điện dựa trên tính chất điện của chất lưu.

+ Phương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác giữa bức xạ và chất lưu.
 Phương pháp thủy tĩnh
Phương pháp thủy tĩnh dùng để đo mức chất lỏng bình chứa

Hình 1.9. Sơ đồ đo mức theo phương pháp thủy tĩnh
a) Dùng phao cầu

b) Dùng phao trụ

c) Dùng cảm biến áp suất vi sai

Trong sơ đồ hình 1.9a phao (1) nổi trên mặt chất lưu được nối với đối trọng (5)
bằng dây mềm (2) qua các ròng rọc (3), (4). Khi mức chất lưu thay đổi phao (1)
nâng lên hoặc hạ xuống làm quay ròng rọc (4), một cảm biến vị trí gắn với trục
quay của ròng rọc sẽ cho tín hiệu tỉ lệ với mức chất lưu.
Trong sơ đồ 1.9b, phao hình trụ (1) nhúng chìm trong chất lưu, phía trên được
đeo bởi một cảm biến đo lực (2). Trong quá trình đo, cảm biến chịu tác động của
một lực tỉ lệ với chiều cao chất lưu:
F= P-ρgSh
Trong đó:
P – trọng lượng phao
h - chiều cao phần ngập trong chất lưu của phao
S – tiết diện mặt cắt ngang của phao
ρ – khối lượng riêng của chất lưu
g - gia tốc trọng trường
Trên sơ đồ 1.9c, sử dụng một cảm biến áp suất vi sai dạng màng (1) đặt sát đáy
24


bình chứa. Một mặt của màng cảm biến chịu áp suất chất lưu gây ra:

p = po +ρgh
Mặt khác của màng cảm biến chịu tác động của áp suất po bằng áp suất ở đỉnh
bình chứa. Chênh lệch áp suất p-po sinh ra lực tác dụng lên màng của cảm biến
làm nó biến dạng. Biến dạng của màng tỉ lệ với chiều cao h của chất lưu trong bình
chứa, đưuọc chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ các bộ biến đổi điện thích hợp.
 Phương pháp điện
Các cảm biến đo mức bằng phương pháp điện hoạt động hoạt động theo nguyên
tắc chuyển đổi trực tiếp biến thiên mức chất lỏng thành tín hiệu điện dựa vào tính
chất điện của chất lưu. Các cảm biến thường dùng là cảm biến độ dẫn và cảm biến điện
dung.
- Cảm biến độ dẫn.
Các cảm biến này dùng để đo mức các chất lưu có tính dẫn điện ( độ dẫn điện ~
50μS).

Hình 1.10. Cảm biến độ dẫn

 Cảm biến hai điện cực b)Cảm biến một điện cực c)Cảm biến phát hiện mức
Sơ đồ hình 1.10a gồm hai điện cực hình trụ nhúng trong chất lỏng dẫn điện.
25