Giám sát hệ thống khí bằng PLC

LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, hệ thống điều khiển tự động không còn quá xa lạ với
chúng ta. Nhằm đáp ứng được nhu cầu thiết yếu trong cuộc sống của con người. Vì
vậy điều khiển tự động đã trở thành ngành khoa học kỹ thuật chuyên nghiên cứu và
ứng dụng của ngành điều khiển tự động vào lao động sản xuất, đời sống sinh hoạt của
con người. Tiến bộ của khoa học kĩ thuật đã dẫn đến sự phát triển của thiết bị điều
khiển logic khả trình PLC.
Trong thời gian thực tập để trau dồi kiến thức trong thực tế. Em được tiếp cận và
tìm hiểu về các hệ thống quan trắc khí mỏ, các thiết bị máy móc như tủ điều khiển,
các đầu đo khí, gió trong các mỏ hầm lò cũng như các thiết bị liên quan khác. Đề tài :
“Giám sát hệ thống khí bằng PLC “ là đề tài mới mẻ, qua đó em muốn nghiên cứu
tìm hiểu về quá trình giám sát khí bằng các thiết bị điều khiển bằng PLC kiểm soát,
cảnh báo khí thông qua giao diện giám sát Win cc. Với mong muốn giám sát chặt chẽ
và tạo ra 1 hệ thống đồng bộ từ phòng giám sát trung tâm tới các mỏ. Từ đó, nâng cao
hiệu quả của công tác quản lý an toàn, đặc biệt an toàn cháy nổ khí là thực sự cấp
thiết.
Về nội dung của đồ án được chia làm 4 chương như sau:
Chương 1: Giới thiệu về trung tâm an toàn mỏ
Chương 2: Hệ thống quan trắc khí mỏ tập trung tự động
Chương 3: Lập trình, điều khiển hệ thống giám sát bằng PLC
Chương 4: Thiết kế giao diện giám sát
Qua những kiến thức đã được học tập trong trường cùng với những vấn đề thực tế
mà em đã tiếp thu được trong quá trình thực tập, với sự hướng dẫn tận tình của thầy
TS. Khổng Cao Phong, các thầy cô giáo trong bộ môn Tự động hoá, em đã cố gắng
hoàn thành đồ án này. Nhưng do đề tài còn mới mẻ và kiến thức của bản thân còn hạn
chế nên đồ án của em không tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý
chỉ bảo của các thầy cô giáo để bản đồ án của em được hoàn thiện hơn.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 15 tháng 5 năm 2017

1

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUNG TÂM AN TOÀN MỎ
1.1. Giới thiệu về Trung tâm an toàn mỏ
Đối với ngành than, khai thác than hầm lò là một hoạt động tiềm ẩn rất nhiều nguy
hiểm khó lường. Trong những năm qua, Trung tâm An toàn Mỏ thuộc Tập đoàn Công
nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (Vinacomin) được thành lập đã và đang làm tốt
nhiệm vụ góp phần ngăn ngừa, giảm thiểu tối đa những sự cố trong các hầm lò.
Lịch sử ra đời
Trung tâm An toàn Mỏ được thành lập từ năm 2001, trong bối cảnh các hoạt
động của ngành than đang phải đối mặt với nhiều thách thức, đặc biệt là công tác đảm
bảo an toàn lao động trong các mỏ hầm lò. Hiện nay hầu hết các mỏ khai thác than
trên địa bản tỉnh đều có chứa hàm lượng khí mê tan cùng rất nhiều loại khí mỏ nguy
hiểm khác. Do đó việc xác định hàm lượng khí trong các vỉa than có ý nghĩa quyết
định trong việc xây dựng các phương án sản xuất và quy trình khai thác an toàn tại
các đơn vị ngành than. Để xác định một cách chính xác nhất hàm lượng khí mỏ tại
các vỉa than, Trung tâm An toàn Mỏ Uông Bí phải tiến hành lấy mẫu và phân tích các
mẫu than, mẫu khí tại từng đơn vị và nhiều vị trí vỉa khác nhau.
Từ năm 2009, tất cả các đơn vị khai thác than hầm lò đều lắp đặt hệ thống quan
trắc hiện đại với các đầu đo khí mỏ, đo tốc độ gió, những công cụ hỗ trợ đắc lực nhất
đối với vấn đề kiểm soát môi trường hầm lò. Tuy nhiên đây là những thiết bị điện tử
tự động, sau khi sử dụng sẽ bị sai lệch về thông số kĩ thuật, nếu không được phát hiện
và hiệu chỉnh kịp thời, thiết bị và công nghệ hiện đại này lại trở thành mối hiểm họa
cho hoạt động của các đơn vị than. Trung tâm An toàn Mỏ Uông Bí có nhiệm vụ kiểm

2

tra, phát hiện, hiệu chỉnh và đánh giá lại những thông số kĩ thuật của các thiết bị và hệ
thống quan trắc theo một quy trình nghiêm ngặt.
Năm 2013, Trung tâm An toàn Mỏ Uông Bí đã bảo trì 25 hệ thống quan trắc khí
mỏ với tổng số 903 đầu đo đáp ứng yêu cầu quản lý khí mỏ tại các đơn vị ngành than.
Không chỉ có nhiệm vụ bảo trì, sửa chữa các hệ thống quan trắc, trung tâm còn vận
hành một trạm giám sát khí mỏ từ xa qua mạng internet. Trạm này được kết nối với
32 hệ thống quan trắc khí mỏ tại các đơn vị than. Nhờ vậy đội ngũ kĩ sư của trung
tâm có thể theo dõi kiểm soát các hoạt động của các hệ thống quan trắc đồng thời
thông báo kịp thời cho các đơn vị khi phát hiện những hiện tượng bất thường về khí
mỏ.
Với đội ngũ cán bộ, kĩ sư giỏi, Trung tâm đã hoàn thành rất nhiều công trình
nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn quan trọng đối với hoạt động khai thác gắn với công
tác đảm bảo an toàn trong ngành than như những đề tài về quy luật dự báo về độ thoát
khí mê tan khi đào lò, về tính tự cháy của than, giải pháp chống sét cho các hệ thống
giám sát khí mê tan… Bên cạnh đó trung tâm cũng phối hợp hiệu quả với một số đơn
vị lập và triển khai các phương án nâng cao công tác an toàn trong hoạt động khai
thác than, đào tạo, bồi dưỡng nghiệp vụ cho các cán bộ, nhân viên an toàn của các
đơn vị.
Từ năm 2014, trung tâm An toàn Mỏ Uông Bí sẽ tiếp tục xây dựng các kế hoạch
phát triển, đẩy mạnh lĩnh vực kiểm toán mạng gió và đề xuất những giải pháp phù
hợp nhằm nâng cao chất lượng hiệu quả thông gió mỏ. Trung tâm cũng sẽ áp dụng,
triển khai công nghệ khoan tháo khí tại một số đơn vị ngành than đưa trạm kiểm định
thiết bị thủy lực, cột chống thủy lực vào hoạt động. Đó là những kế hoạch quan trọng
góp phần giải bài toán an toàn ngành than trong bối cảnh hiện nay.
Bộ máy tổ chức trung tâm.
Giám đốc : Là người đứng đầu và điều hành mọi hoạt động của trung tâm.
PGĐ cơ điện : Là người điều hành 1 lĩnh vực nhất định mà cụ thể là về cơ điện.
Hoặc thực hiện các nhiệm vụ do giám đốc ủy quyền.
PGĐ an toàn : Là người chịu trách nhiệm trong việc kiểm tra các thiết bị phòng
nổ.

Các phòng ban và PTN : Là nơi thực hiện các nhiệm vụ cụ thể của trung tâm.

3


Hình 1.1 : Bộ máy tổ chức của trung tâm
Nhân lực của trung tâm
Tiến sĩ
Nghiên cứu sinh
Thạc sĩ
Kĩ sư, cử nhân
Cao đẳng, trung cấp
Khác
Tổng cộng

3 người
1 người
13 người
39 người
7 người
10 người
73 (người)

Hình 1.2 : Tổng quan về nhân lực của trung tâm
1.2. Chức năng, nhiệm vụ của trung tâm.
Chức năng, nhiệm vụ chính của trung tâm :
Chức năng của trung tâm an toàn mỏ là nghiên cứu triển khai hoạt động KHCN
trong các lĩnh vực bảo đảm an toàn khai thác mỏ gồm: khí mỏ, nguy cơ bục nước
mỏ… Kiểm định các thiết bị: tính năng phòng nổ, thiết bị điện, vật liệu nổ công
nghiệp dùng trong mỏ hầm lò, các loại vật liệu, vì chống trong khai thác mỏ. Đào tạo,

hướng dẫn, chuyển giao và thực hiện công nghệ, kỹ thuật liên quan đến việc đảm bảo
an toàn, cấp cứu trong khai thác. Biên soạn các tài liệu liên quan đến an toàn và cấp
cứu mỏ. Thực hiện các dịch vụ kỹ thuật trong lĩnh vực an toàn mỏ.
4


Nhiệm vụ của từng phòng ban :
Phòng thông gió và an toàn mỏ: Phòng thông gió và an toàn mỏ nhiệm vụ chủ
yếu là nghiên cứu về khí mỏ (CH 4, CO, CO2), nghiên cứu về An toàn mỏ, nghiên cứu
về Thông gió mỏ, nghiên cứu về cháy mỏ, nghiên cứu về tháo khí, sử dụng khí mê
tan, lập quy định an toàn nội bộ cho các mỏ than hầm lò, đào tạo về An toàn mỏ

Hình 1.3 : Đào tạo an toàn về phòng chống cháy nổ khí metan trong mỏ hầm lò.

Hình 1.4 : Thiết kế hệ thống tháo khí Metan trong các mỏ hầm lò có độ chứa khí
cao

5


Hình 1.5 : Đào tạo tập huấn về khoan, lấy mẫu than trong các vỉa để xác định độ
chứa khí Metan.
Phòng nghiên cứu mỗi tầng : Phân tích than và khí trong mỏ than,nghiên cứu
hiện tượng cháy nội sinh trong mỏ than hầm lò, nghiên cứu hiện tượng cháy nội sinh
trong mỏ than hầm lò, nghiên cứu hiện tượng cháy nội sinh trong mỏ than hầm lò,
nghiên cứu về vật liệu nổ và vật liệu nổ công nghiệp sử dụng trong mỏ than hầm lò,
thử nghiệm, chứng nhận các thiết bị thở, thiết bị dùng trong cấp cứu mỏ.
Phòng kiểm tra thiết bị phòng nổ : Thử nghiệm, hiệu chuẩn các thiết bị điện sử
dụng trong mỏ hầm lò, thử nghiệm, hiệu chuẩn các thiết bị (máy đo khí, đầu đo khí,
máy đo gió), đào tạo an toàn về sử dụng thiết bị điện phòng nổ, thực hiện các nhiệm

vụ khác theo yêu cầu.
Phòng phát triển hệ thống khoan trắc : Nghiên cứu và phát triển hệ thống quan
trắc khí tập trung, hướng dẫn, đào tạo sử dụng thiết bị điện, kiểm tra và chứng nhận
các thiết bị (Máy đo khí, đầu đo khí), bảo dưỡng các đầu đo khí.

6


Hình 1.6 : Các thiết bị phân tích mẫu.

Hình 1.7 : Thử nghiệm thiết bị

7


Hình 1.8 : Thiết kế hệ thống khoan trắc khí tập trung.
1.3. Kết quả đạt được và phương hướng phát triển của trung tâm.
Kết quả đạt được
Trung tâm có 31 hệ thống quan trắc khí tập trung, đào tạo hướng dẫn sử dụng thiết
bị điện cho hơn 1000 người, đào tạo an toàn cháy nổ khí metan cho 100.000 người,
phân tích hơn 20.000 mẫu than và khí, kiểm tra định kỳ khoảng 9498 thiết bị, kiểm
định 88 kiểu thiết bị, kiểm định khoảng 27904 thiết bị nhập khẩu và duy tu, bảo
dưỡng hơn 2190 đầu đo khí.
Phương hướng phát triển trung tâm.
 Kế hoạch ngắn hạn
Tiếp tục theo dõi, bảo trì các hệ thống quan trắc khí mêtan trong mỏ hầm lò, tiếp
tục lấy mẫu, phân tích, đánh giá, xếp loại mỏ theo khí mêtan cho tất cả các mỏ than
hầm lò, tiếp tục kiểm toán mạng gió cho một số mỏ than hầm lò, tiếp tục kiểm định
các thiết bị điện sử dụng trong mỏ than hầm lò, tiếp tục xây dựng quy định an toàn
nội bộ cho các mỏ than hầm lò, tiếp tục thực hiện các nhiệm vụ do nhà nước và Tập

đoàn giao phó.
 Kế hoạch dài hạn
Nghiên cứu, xây dựng phòng thí nghiệm xác định tính tự cháy của than. Trên cơ
sở đó, xác định tính tự cháy của tất cả các vỉa than thuộc Tập đoàn. Triển khai mở
rộng các dự án hệ thống tháo khí mê tan cho Công ty than Mạo khê, Quang Hanh.
Tiến tới áp dụng tại các đơn vị khác trong Tập đoàn. Đánh giá trữ lượng khí trong vỉa
than, khả năng tháo khí, thu hồi khí và sử dụng khí mê tan thu được. Phối hợp với các
8


đối tác nước ngoài nghiên cứu sử dụng khí trong luồng gió thải của mỏ. Xây dựng
Trung tâm đào tạo an toàn chất lượng cao cho toàn ngành Than-Khoáng sản.

9


CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG QUAN TRẮC KHÍ MỎ TẬP
TRUNG TỰ ĐỘNG
Hệ thống Quan trắc khí mỏ tập trung tự động là 1 phòng ban trong Trung tâm an
toàn mỏ. Em được phân công tìm hiểu công nghệ cụ thể của hệ thống quan trắc khí
mỏ. Để đảm bảo môi trường làm việc và ngăn ngừa cháy nổ khí mỏ, hệ thống giám
sát khí mỏ tự động đi vào hoạt động để giám sát hàm lượng các khí. Tùy theo quy mô
và yêu cầu cụ thể của từng mỏ từng giai đoạn cụ thể mà số lượng giám sát có thể khác
nhau.
2.1. Vai trò của hệ thống quan trắc khí mỏ.
Nhiệm vụ chính của hệ thống quan trắc khí mỏ là giám sát tự động các thông số
môi trường mỏ như khí mêtan CH4, khí độc CO, tốc độ gió.... thông qua các đầu đo
đặt tại các vị trí xác định trong đường lò. Các đầu đo được kết nối với các thiết bị liên
động cắt điện và tủ điều khiển trung tâm trên mặt bằng tạo thành một hệ thống đồng
bộ, kiểm soát và điều khiển từ phòng giám sát trung tâm. Tín hiệu từ các đầu đo gửi

tới hệ thông máy tính, được xử lý, hiển thị, lưu trữ trong bộ nhớ của máy tính.
Vì vậy, việc thiết lập một trung tâm giám sát từ xa có khả năng tiếp nhận được
thông tin, dữ liệu từ hệ thống quan trắc của các mỏ và các mỏ cũng đều có thể quan
trắc được các thông số dữ liệu của mỏ mình, vào bất cứ thời điểm nào để cùng phối
hợp nâng cao hiệu quả của công tác quản lý an toàn, đặc biệt là về an toàn cháy nổ
khí là thực sự cấp thiết.
2.2. Đặc điểm của hệ thống
Tất cả các đầu đo đều có kết cấu phòng nổ an toàn tia lửa. Mỗi đầu đo luôn kiểm
soát liên tục và gửi dữ liệu tới phòng quan trắc. Dữ liệu được tập hợp lưu giữ ở máy
tính chủ, máy tính mạng có thể kiểm tra dữ liệu trước đó. Cáp truyền dữ liệu giữa
phòng quan trắc và hầm lò là loại cáp điện thoại xoắn đôi, có bọc kim & vỏ bọc bảo
vệ không lan truyền cháy.
2.3. Sơ đồ công nghệ của hệ thống giám sát khí mỏ.
2.3.1. Yêu cầu công nghệ của hệ thống.
Hệ thống được thiết kế làm việc liên tục. Giám sát được các đại lượng đo ở hiện
trường từ phòng quan trắc trung tâm. Hệ thống đặt được các thông số cảnh báo từ
phòng quan trắc trung tâm. Các dữ liệu có thể in ra giấy và được lưu giữ lâu dài. Hệ
thống có tính mở, có thể tạo thành mạng LAN và kết nối Internet. Giám sát được giá
10


trị của các đại lượng cần kiểm tra tại các vị trí tại hiện trường với độ chính xác cho
phép. Hệ thống cần có cảnh báo bằng âm thanh, ánh sáng khi có vượt ngưỡng giá trị
đặt trước.
2.3.2. Cấu trúc chung của hệ thống quan trắc.
2.3.2.1. Cấu trúc của hệ thống quan trắc khí mỏ loại KSP-2C
Tại phòng quan trắc trung tâm có hệ thống máy tính điều hành và giám sát.
Trong lò bố trí các loại đầu đo để giám sát các đại lượng cần kiểm soát, các aptomat
liên động cắt điện dùng để cắt nguồn cho các thiết bị nằm trong khu vực đó khi có
nguy hiểm về khí cháy nổ, hệ thống cáp truyền tín hiệu.... Đầu đo được kết nối trực

tiếp tới PLC thông qua các kênh đo độc lập (cách ly về điện) với nhau và có dạng bảo
vệ nổ là “an toàn tia lửa - ExiaI”.
Về mặt cấu trúc hệ thống quan trắc khí mỏ tập trung tự động loại KSP-2C gồm 2
phần chính: Phần trên mặt bằng và phần dưới lò. Các đầu đo và thiết bị dưới lò được
kiểm soát bởi tủ điều khiển trung tâm KSP-2C. Tín hiệu từ thiết bị dưới lò gửi về tủ
trung tâm thông qua tuyến cáp truyền dưới dạng tần số. Tủ điều khiển trung tâm cấp
nguồn an toàn tia lửa cho các đầu đo dưới lò....
Hệ thống làm việc 24/24h trong 365 ngày/năm, các đầu đo trong lò được cấp điện
trực tiếp từ tủ KSP-2C thông qua tuyến cáp truyền, các kênh đo được cấp nguồn độc
lập với nhau, các thiết bị kết nối với nhau thông qua cáp điện thoại loại chuyên dùng
cho mỏ hầm lò. Thông tin về các đại lượng giám sát trong lò được hiển thị liên tục,
cảnh báo tại chỗ và truyền về tủ điều khiển trung tâm KSP-2C, do đó khi có sự cố bất
thường hệ thống sẽ phát hiện, điều khiển báo động và cắt điện các thiết bị trong khu
vực để ngăn chặn nguy cơ cháy nổ khí.

11


Hình 2.1 : Cấu trúc của hệ thống khoan trắc khí mỏ
Hệ thống thiết bị trên mặt bằng
Mô hình chung hệ thống quan trắc khí mỏ KSP-2C đặt tại phòng quan trắc trung
tâm.
PLC: Thiết bị góp nhặt và xử lý các dữ liệu từ hiện trường gửi tới.
Server: Máy tính chủ (máy tính điều hành) xử lý, hiển thị, lưu giữ các dữ liệu, là
máy

chủ trung tâm để tạo thành mạng LAN và kết nối với Internet.

Máy in: dùng để in các dữ liệu khi cần thiết.

12


Hình 2.2 : Mô hình thiết bị chính tại phòng giám sát trung tâm
HUB: Sử dụng cho việc kết nối mạng LAN.
Modem: Sử dụng cho kết nối Internet.
UPS Online: Cung cấp điện cho các thiết bị chính của hệ thống hoạt động, thời
gian lưu giữ (4~6)h.
Thiết bị khác: Các thiết bị đảm bảo môi trường ổn định, cung cấp điện ổn định,
bảo vệ cho hệ thống hoạt động liên tục và tin cậy đây là vấn đề rất quan trọng.
2.3.2.2. Các thiết bị trong mô hình
2.3.2.2.1. Tủ KSP 2C
 Chức năng của tủ KSP-2C

Tủ KSP-2C là bộ phận điều khiển trung tâm của hệ thống có các chức năng giám
sát chính sau đây:
• Nồng độ khí CH4 trong không khí mỏ với dải đo (0~100)%.
• Nồng độ khí CO2 trong không khí mỏ với dải đo (0~5)%.
• Nồng độ khí độc CO trong không khí mỏ với dải đo (0~200)ppm.
• Nồng độ khí O2 trong không khí mỏ với dải đo (0~25)%.
• Nhiệt độ không khí mỏ với dải đo (-10~50)0C.
• Tốc độ gió trong đường lò với các dải đo ±5m/s, (0~10)m/s, (0~20)m/s.
• Trạng thái làm việc của các thiết bị trong lò dạng On-Off.
• Một tủ của hệ thống kết nối được với 40 kênh đo, khả năng của hệ thống có thể
kết nối tối đa 10 tủ có thể kiểm soát được tới 400 kênh đo.
13


•
•

•
•

Hệ thống có thể kết nối thành mạng máy tính thông qua mạng LAN.
Cung cấp nguồn an toàn tia lửa dạng ExiaI cho các đầu đo trong hầm lò.
Kiểm soát sự hoạt động liên tục giữa tủ KSP-2C và các đầu đo trong lò không
cho phép gián đoạn thông tin.
Hệ thống có 3 ngưỡng cảnh báo riêng biệt có thể đặt trước gồm có:
Ngưỡng cảnh báo cảnh giới AO (mức nhẹ có tính chất thông báo).
Ngưỡng cảnh báo nguy hiểm AG (mức nguy hiểm phải cắt điện).
Ngưỡng cảnh báo mức độ gia tăng của nồng độ khí CH4.

Tủ KSP-2C là bộ phận chính của hệ thống quan trắc khí mỏ, hoạt động theo
nguyên lý truyền tín hiệu đo sau khi chuyển đổi sang dạng tần số. Tủ KSP-2C với
nhiệm vụ kết nối, giám sát, điều khiển, cấp nguồn cho các đầu đo trong lò, tủ được
điều khiển bằng máy tính công nghiệp bên trong. Thông số kỹ thuật cơ bản của tủ
KSP-2C được nêu trong bảng sau :
Bảng 2.1 : Thông số kỹ thuật cơ bản của tủ KSP-2C

 Đặc điểm của tủ KSP-2C

Nguồn điện sử dụng: 220VAC-280VA. Với 40 kênh đo độc lập. Chu kỳ đo gọi tự
động: 8s trong đó 6.5s nạp điện cho ắc quy, 1.5 s gọi thông tin. Phương thức liên lạc
giữa tủ và đầu đo thông qua 1 đôi dây điện thoại, điện trở tối đa cho phép của đường
dây 750Ω (tương đương với 13km dây đường kính 0.9mm). Dòng điện cung cấp cho
đầu đo (32~35)mADC. Tín hiệu truyền dẫn trên kênh đo dạng tần số (5-12)kHz. Kết
nối với các loại đầu đo: CPC-2, TC-100/P, Kx-2, SAT-1…khác.
 Điều kiện làm việc của tủ:
Nhiệt độ (10~30)0C, thường xuyên duy trì ở (23±3)0C. Độ ẩm không khí
(40~90)%RH, không có đọng hơi nước. Môi trường không có bụi, đặc biệt là bụi than

dẫn điện.
14


Tủ KSP-2C có khả năng kết nối với các thiết bị thực hiện đo đạc thông số khác,
với điều kiện những thiết bị này có khả năng truyền tín hiệu tần số đã được mã hoá.
Tủ KSP-2C có chức năng báo động cắt điện liên kênh. Việc kết nối tủ KSP-2C với
hệ thống máy tính có thể thực hiện qua 02 cổng mạng LAN và 02 cổng tiêu chuẩn
RS232.

1. Màn hình LCD của tủ KSP-2C
2. Bàn phím điều khiển.
3. Máy tính công nghiệp IPC.
4. Bộ điều khiển các kênh đo.
5. Bộ cung cấp nguồn cho Tủ KSP2C

Hình 2.3 : Tủ KSP-2C
2.3.2.2.2. Đầu đo
 Đặc điểm của đầu đo

Tất cả các đầu đo đều có kết cấu phòng nổ an toàn tia lửa. Mỗi đầu đo luôn kiểm
soát liên tục và gửi dữ liệu tới phòng quan trắc. Gửi tín hiệu cắt điện tới thiết bị điện
trong khu vực. Kiểm tra đường truyền từ tủ đến đầu đo. Ngoài ra đầu đo còn có ắc
quy có khả năng hoạt động thêm từ 4 đến 6h khi bị đứt đường chuyền.
 Cách lắp đặt đầu đo

Đầu đo khí CH4 phải được lắp tại vị trí cao nhất trong đường lò (trong quy phạm
an toàn hầm lò). Chiều cửa khuếch tán của bộ cảm biến quay ngược hướng gió (ở VN
là tốt nhất). Không được để nước nhỏ giọt vào đầu đo. Không được để đầu đo chịu va
đập. Khi bắn mìn phải mang đầu đo ra vị trí an toàn tránh đá văng làm hỏng các bộ

phận.

15


Hình 2.4 : Nguyên tắc bố trí đầu đo trong lò chợ khấu giật.
 Kiểm tra đầu đo trong lò.

Hàng ngày ít nhất 1 lần phải kiểm tra các đầu đo khí. Lau sạch bụi bẩn bám trên
bên ngoài các hộp nối cáp, các đầu đo khí CH 4, CO đặc biệt là các bộ phận cảm biến,
bằng chổi lông mềm và khô. Kiểm tra độ chính xác bằng máy đo khí xách tay có khử
khí CO2, khi có sai số >0.2% thì phải thay thế đầu đo hoặc hiệu chuẩn lại. Hai tuần
một lần phải hiệu chuẩn lại đầu đo bằng không khí sạch và khí chuẩn 2% CH 4. Hàng
tuần phải tiến hành lau sạch bên trong các hộp nối bằng chổi lông mềm khô và giẻ
khô sạch. Khi phát hiện có hư hỏng phải thay bằng đầu đo dự phòng, không được mở
đầu đo trong lò. Chỉ được phép hiệu chuẩn các đầu đo khi đầu đo đã được vận hành
ổn định về nhiệt độ, thời gian khoảng (15~30)phút.
2.3.2.2.3. Thiết bị ngắt kết nối

Hình 2.5 : Aptomat liên động cắt điện loại KBZ-400
16


Aptomat liên động cắt điện phải là loại có các mạch cắt tự động từ xa an toàn tia
lửa, hoặc loại aptomat kèm với bộ phối hợp cắt điện an toàn tia lửa. Một kiểu aptomat
liên động cắt điện (KBZ-400) được sử dụng trong hệ thống quan trắc khí mỏ.
 Tóm tắt nguyên lý hoạt động của hệ thống :

Các đầu đo khí (; ) hay đầu đo gió có dạng bảo vệ an toàn tia lửa EexiadI được đặt
ở các vị trí khác nhau trong đường lò để đo nồng độ khí. Đầu đo được kết nối trực

tiếp với PLC thông qua kênh đo độc lập. PLC gửi tín hiệu từ dưới mỏ lên tủ ĐK trung
tâm nhờ đường dây cáp quang. Tủ ĐK cấp nguồn cho các đầu đo dưới lò. Các đại
lượng giám sát trong lò được hiển thị liên tục lên hệ thống máy tính. Khi có bất kỳ sự
cố nào thì người trực giám sát sẽ phát hiện để thông báo xuống dưới mỏ. Trong một
số trường hợp thì có thể in dữ liệu ra giấy bằng máy in. Trường hợp nồng độ khí tăng
đột ngột vượt quá ngưỡng nguy hiểm thì tủ ĐK gửi tín hiệu cắt điện xuống. Các
Aptomat liên động cắt điện để cắt nguồn cho các khu vực nguy hiểm.
 Kết luận :

Bên cạnh việc sử dụng Vi điều khiển trong lập trình hệ thống thì dựa trên các yêu
cầu chính mà hệ thống giám sát khí cần có nhưng sử dụng PLC với việc dễ dàng thay
đổi các chương trình lập trình. PLC có khả năng thêm vào hay thay đổi các lệnh tùy
theo yêu cầu công nghệ. Khi đó ta chỉ cần thay đổi chương trình của nó, điều này nói
lên tính năng điều khiển khá linh động của PLC.

CHƯƠNG 3 : XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ TÍNH CHỌN
THIẾT BỊ
3.1. Mô hình hệ thống mới
Hệ thống dưới hầm lò là các đầu đo được kết nối với các PLC S7-200 thu thập, xử
lý dữ liệu đồng thời gửi tín hiệu về PLC tổng ở trung tâm giám sát là PLC S7-1200
thông qua sợi cáp quang. Ở đây PLC S7-1200 tiếp tục xử lý tín hiệu, kết nối với máy
tính có phần mềm giám sát Win cc để hiện thị các thông số và đưa ra các cảnh báo
trong trường hợp cần thiết.

17


Hình 2.3 : Sơ đồ hệ thống mới
3.2. Các yêu cầu cơ bản khi lựa chọn thiết bị.
Đối với hệ thống giám sát khí mỏ yêu cầu đầu tiên là cảm biến phải có độ bền

cao trong môi trường hầm lò. Dựa theo các yêu cầu công nghệ về sự hoạt động của hệ
thống. Ta lựa chọn những thiết bị cũng như loại PLC phù hợp nhất với hệ thống.
3.3. Cơ cấu chấp hành
3.3.1 Cảm biến
Để đo nồng độ khí metan trong các mỏ, người ta sử dụng rất nhiều loại đầu đo
với độ bền và những ưu điểm khác nhau để phù hợp với môi trường khó khăn của mỏ.
Sử dụng để kiểm soát liên tục nồng độ khí CH 4 trong mỏ hầm lò, đầu đo được
kết nối với PLC và aptomat liên động cắt điện thông qua cáp thông tin.
3.3.1.1 Đầu đo SC•

Đặc tính kỹ thuật cơ bản của đầu đo SC- như sau:

Nguồn cấp từ tủ điều khiển trung tâm: Ui=60 V, Ii = 150 mA;
Hoặc từ nguồn độc lập: U=15 V, I = 35 mA
Tín hiệu đầu ra:
18


Tần số: (5 ~ 12) kHz; Kỹ thuật số: FSK; Điện áp: (0,4 ~ 2) V.
Nguyên lý hoạt động đốt xúc tác: Dải đo nồng độ thấp (0 ~5)% CH4.
Dải đo nồng độ cao (5~100)% CH4.
Sai số cho dải đo (0~5)% khí CH4:

±0,1% cho dải đo (0~2,5)%.
±0,3% cho dải đo (2,5~5)%.

Sai số cho dải đo (5~100)% khí CH4:
Độ phân dải:

±3% cho dải đo (5~100)%.

0,01 % CH4 đối với dải đo (0 – 5) % CH4.
0,1% CH4 đối với dải đo (5 - 100)% CH4

Phương pháp đo: liên tục
Điều kiện môi trường: Độ ẩm môi trường <95 % không ngưng tụ hơi nước; Nhiệt
độ môi trường (0~40) 0C.
Dạng bảo vệ nổ: I M1 Ex ia I, II 2G Ex ia II T4; Cấp bảo vệ của vỏ : IP54
Kích thước: 160 x90 x 55 mm; Trọng lượng: 1kg.

Hình 3.1 : Đầu đo SC3.3.1.2 Đầu đo CPC-2
Đặc tính kỹ thuật cơ bản của đầu đo CPC-2 như sau:
Điện áp định mức: 12VDC.
Dòng điện tiêu thụ lớn nhất: 40mA.
Nguồn điện lấy từ ắc quy, ắc quy được nạp điện thông qua đường truyền
Nguyên lý hoạt động đốt xúc tác:

Dải đo nồng độ thấp (0~5)% CH4.
Dải đo nồng độ cao (5~100)% CH4.

Sai số cho dải đo (0~5)% khí CH4:

±0,1% cho dải đo (0~2)%.
±0,25% cho dải đo (2~5)%.

19


Sai số cho dải đo (5~100)% khí CH4: ±1% cho dải đo (0~30)%.
±3% cho dải đo (30~100)%.

Tần số phát: Trong toàn dải đo 4kHz ÷ 12,5kHz.
Giá trị tại 0% CH4……10kHz ± 20Hz
Giá trị tại 5% CH4……5kHz ± 30Hz
Thông số mạch cắt an toàn tia lửa: I=100mADC, U=60VDC, với 2 đường ra AL1
& AL2.
Điều kiện môi trường: Độ ẩm môi trường <95 % không ngưng tụ hơi nước; Nhiệt
độ môi trường (0~40) 0C.
Dạng bảo vệ nổ: Thiết bị an toàn tia lửa EexiadI; Cấp bảo vệ của vỏ: IP54
Kích thước: 200x130x95mm; Trọng lượng 2.5kg.
Cấu tạo
Đầu đo khí - CPC-2 có vỏ bọc bằng sắt được hàn kín, bên trong có buồng đo và 3
panen mạch điện. Trên mặt trước có lỗ, qua đó được lắp buồng đo và có nắp đậy, phía
dưới có hệ thống chuông báo động tiếp đó là màn hình hiển thị và đèn LCD.

Hình 3.2 : Đầu đo khí metan loại CPC-2 và sơ đồ nguyên tắc làm việc của sensor
đốt xúc tác.

3.3.2. Nút bấm PLC
Những loại nút bấm này thường được dùng để chế tạo những đồ trong công
nghiệp, hoặc những máy móc to bự cần bấm nhiều và cần đèn trạng thái. Nói một
cách nôm na, nút bấm PLC là nút bấm cỡ lớn với một cái đèn bên dưới nút bấm. Loại
20


này đôi khi có đèn, đôi khi lại không. Với loại không có đèn thì cũng có 2 chân như
các loại ở trên, còn loại có đèn thì có đến 4 chân (2 chân của button, 1 chân dương và
1 chân âm của led). Sau đây là hình ảnh về nó.

Hình 3.3 : Nút bấm loại hay sử dụng cho PLC
3.3.3 Thiết bị ngoại vi.

Đèn báo được sử dụng hầu hết cho các máy móc để báo trạng thái máy và cung
cấp thông tin cho người vận hành. Hầu hết các đèn báo có dòng điện thấp và được kết
nối trực tiếp đến PLC.
Còi/chuông báo : Còi hay chuông báo có thể được sử dụng cho các máy móc
không được giám sát hoặc đang bị nguy hiểm. Chúng thường được nối trực tiếp với
các ngõ ra của PLC.
Nên sử dụng đèn báo rời cho cảnh báo mức thấp. Và đèn có gắn chuông cho
cảnh báo mức hai ( cảnh bảo nguy hiểm).

21


Hình 3.4 : Đèn báo có gắn cảnh báo âm thanh
Đèn cảnh báo có loa Patlite được điều khiển, lắp đặt một cách dễ dàng bằng việc
sử dụng một dây dẫn chung duy nhất cho cả đèn LED hoặc đèn sợi đốt và cảnh báo
âm thanh. Đèn cảnh báo có loa Patlite sử dụng đèn LED tuổi thọ lâu hơn hẳn, có thể
sử dụng 24/7 liên tục trong môi trường công nghiệp, đèn sợ đốt tiết kiệm và dễ dàng
cho sử dụng, bảo dưỡng.
Âm thanh của đèn cảnh báo có loa Patlite chất lượng cao MP3 có thể tự ghi âm và
có thể được điều chỉnh bởi người vận hành từ mức nhỏ nhất 0dB tới mức lớn nhất
105dB phù hợp cho nhiều môi trường làm việc khác nhau, thậm chí trong cả môi
trường làm việc có độ ồn cao. Ngoài ra đèn cảnh báo có loa kết hợp Patlite còn có 32
kiểu âm thanh chuẩn đã ghi sẵn trước cho bạn sự đa dạng về chọn lựa. Loại bóng đèn:
90dB/1m. Mức độ bảo vệ: IP5. Điện áp sử dụng: 24V DC, 100V AC, 220V AC
3.4. Thiết bị điều khiển
- Bảng tổng hợp tín hiệu I/O
S

Tên thiết bị

I/O

Analog/Digital

I
I
O
O

Digital
Digital
Digital
Digital

TT
1
2
3
4

Nút bấm
Cảm biến
Đèn cảnh báo
Đèn cảnh báo
chuông

có

Số
lượng

2
1
1
1

Từ bảng tổng hợp với số lượng đầu ra đầu vào như trên, em thấy lựa chọn
PLC S7-200 la phù hợp nhất.
3.4.1. Tìm hiểu về PLC S7-200
3.4.1.1. Tính chọn PLC
Theo yêu cầu công nghệ, em quyết định chọn PLC S7-200 CPU 224 để thực hiện
đề tài này.

22


Hình 3.5 : PLC S7-200 với CPU 224
Thông số kỹ thuật:
+ Kích thước : 120.5 x 80 x 62.
+ Bộ nhớ chương trình: 8192 bytes.
+ Bộ nhớ dữ liệu: 8192 bytes.
+ Thời gian lưu dữ liệu 100 giờ.
+ Ngõ vào ra số :14 In/10 Out.
+ Ngõ vào ra tương tự: 2 In/1 Out.
+ Module mở rộng :7.
+ Bộ đếm tốc độ cao : 30kHz cho 1 pha 6, 20kHz cho 2 pha 4.
+ Xuất xung tốc độ cao: 2 x 20KHZ.
+ Truyền thông : 1xRS485.
+ Số lượng I/O tối đa : 128 in, 128 out.
+ Tốc độ thực thi lệnh : 0.22 micro giây/lệnh.
3.4.1.2. Tính chọn modul analog

3.4.1.2.1.Khái niệm về module analog.
Module analog là một công cụ để xử lý các tín hiệu tương tự thông qua việc xử lý
các tín hiệu số.
3.4.1.2.2. Analog input
Thực chất nó là một bộ biến đổi tương tự - số (A/D). Nó chuyển tín hiệu tương tự
ở đầu vào thành các con số ở đầu ra. Dùng để kết nối các thiết bị đo với bộ điều
khiển: chẳng hạn như đo nhiệt độ.
3.4.1.2.3. Analog output
Analog output cũng là một phần của module analog. Thực chất nó là một bộ biến
đổi số - tương tự (D/A). Nó chuyển tín hiệu số ở đầu vào thành tín hiệu tương tự ở
23


đầu ra. Dùng để điều khiển các thiết bị với dải đo tương tự. Chẳng hạn như điều khiển
Van mở với góc từ 0-100%, hay điều khiển tốc độ biến tần 0-50Hz.
3.4.1.2.4. Nguyên lý hoạt động chung của các cảm biến và các tín hiệu đo chuẩn
trong công nghiệp.
Thông thường đầu vào của các module analog là các tín hiệu điện áp hoặc dòng
điện. Trong khi đó các tín hiệu tương tự cần xử lý lại thường là các tín hiệu không
điện như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, khối lượng . . . Vì vậy người ta cần phải
có một thiết bị trung gian để chuyển các tín hiệu này về tín hiệu điện áp hoặc tín hiệu
dòng điện – thiết bị này được gọi là các đầu đo hay cảm biến.
Để tiện dụng và đơn giản các tín hiệu vào của module Analog Input và tín hiệu
ra của module Analog Output tuân theo chuẩn tín hiệu của công nghiệp.Có 2 loại
chuẩn phổ biến là chuẩn điện áp và chuẩn dòng điện.
±

-

Điện áp : 0 – 10V, 0-5V,

5V…

-

Dòng điện : 4 – 20 mA, 0-20mA,

±

10mA.

Trong khi đó tín hiệu từ các cảm biến đưa ra lại không đúng theo chuẩn . Vì vậy
người ta cần phải dùng thêm một thiết chuyển đổi để đưa chúng về chuẩn công
nghiệp.
Kết hợp các đầu cảm biến và các thiết bị chuyển đổi này thành một bộ cảm biến
hoàn chỉnh , thường gọi tắt là thiết bị cảm biến, hay đúng hơn là thiết đo và chuyển
đổi đo ( bộ transducer).

Hình 3.6 : Sơ đồ chuyển đổi tín hiệu
24


3.4.1.2.5. Modul analog EM235
EM 235 là một module tương tự gồm có 4AI và 1AO 12bit (có tích hợp các bộ
chuyển đổi A/D và D/A 12bit ở bên trong).

Hình 3.7 : Module EM235
Do PLC S7-200, CPU224 không được thiết kế có ngõ vào analog để đọc điện
áp từ cảm biến khí, nên phải sử dụng thêm một modul mở rộng analog modul EM235.
Thông số kỹ thuật của modul EM235 như sau:

+ 4 ngõ vào tương tự +/-10VCD, 1 ngõ ra tương tự +/-10V 12 Bit
+ Dải đầu vào/trở kháng đầu vào: 0 đến 50 mV; 0 đến 100 mV; 0 đến 500 mV; 0
đến 1V 0 đến 5 V; 0 đến 10 V; 0 đến 20 mA; +/- 25 mV; +/- 50 mV;+/- 100 mV; +/200 mV; +/- 500 mV; +/- 1 V; +/- 2.5 V; +/-5 V; +/- 10V
+ Thời gian biến đổi tương tự sang số: <250us
+ Số đầu ra tương tự : 1
25