Giám sát hệ thống khí bằng PLC

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

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. 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

GVHD : TS. Khổng Cao Phong
Luyến

SVTH : Mai Thị


Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

MỤC LỤC

2

GVHD : TS. Khổng Cao Phong
Luyến

SVTH : Mai Thị


Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

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 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
3

GVHD : TS. Khổng Cao Phong
Luyến

SVTH : Mai Thị

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

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 cáưc nhiệm vụ cụ thể của trung tâm.

4

GVHD : TS. Khổng Cao Phong
Luyến

SVTH : Mai Thị


Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

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 :

5

GVHD : TS. Khổng Cao Phong
Luyến

SVTH : Mai Thị


Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

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.
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 (CH4, 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.

6

GVHD : TS. Khổng Cao Phong
Luyến

SVTH : Mai Thị


Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

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

Hình 1.5 : Đào tạo tập huấn về khoan, lấy mẫu than trong các vỉa để xác định độ
chứa khí Metan.

7

GVHD : TS. Khổng Cao Phong
Luyến

SVTH : Mai Thị


Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

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.

Hình 1.6 : Các thiết bị phân tích mẫu.

8

GVHD : TS. Khổng Cao Phong
Luyến

SVTH : Mai Thị


Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.7 : Thử nghiệm thiết bị

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
9

GVHD : TS. Khổng Cao Phong
Luyến

SVTH : Mai Thị


Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

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 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.

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.
10

GVHD : TS. Khổng Cao Phong
Luyến

SVTH : Mai Thị


Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

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 trị của các
11

GVHD : TS. Khổng Cao Phong
Luyến

SVTH : Mai Thị


Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

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.

12

GVHD : TS. Khổng Cao Phong
Luyến

SVTH : Mai Thị

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

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.

13

GVHD : TS. Khổng Cao Phong
Luyến

SVTH : Mai Thị


Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

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)%.
14

GVHD : TS. Khổng Cao Phong
Luyến

SVTH : Mai Thị


Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•

Đồ án tốt nghiệp

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.
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
15

GVHD : TS. Khổng Cao Phong

Luyến

SVTH : Mai Thị


Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

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.
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 KSP-2C

Hình 2.3 : Tủ KSP-2C
2.3.2.2.2. Đầu đo
16

GVHD : TS. Khổng Cao Phong
Luyến

SVTH : Mai Thị


Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

 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.
 Đầu đo khí metan
 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.

Hình 2.4 : Lắp đặt đầu đo khí metan
 Đầu đo khí CO

Đầu đo khí CO được lắp đặt để kiểm soát khí CO tại các gương lò đào cục bộ, trạm
điện, băng tải, gió thải…Nguyên tắc hoạt động dựa vào phản ứng điện hóa học. Sử dụng
để phát hiện sự cháy ( cháy nội sinh và cháy ngoại sinh ) trong mỏ. Thường được lắp đặt
kiểm soát gió thải toàn mỏ. Tuổi thọ của senser thường hơn 1 năm.
17

GVHD : TS. Khổng Cao Phong
Luyến

SVTH : Mai Thị


Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

Hình 2.5 : Lắp đầu đo khí CO trong lò.
Hiển thị tại chỗ nồng độ khí: ppm CO. Chế độ làm việc: Đồng bộ với tủ KSP-2C,
hoặc làm việc độc lập. Gửi tín hiệu cắt điện tới aptomat để cắt nguồn điện khi nồng độ
khí CO vượt ngưỡng đặt trước, có 2 ngưỡng cảnh báo trong dải đo < 26 ppm.
 Đầu đo khí Oxy

Đầu đo khí Oxy được lắp đặt ở những vị trí cần kiểm soát nồng độ khí Oxy để đảm
bảo điều kiện làm việc cho công nhân như khu vực lò chợ, lò chuẩn bị độc đạo. Đầu đo
có hiển thị tại chỗ giá trị đo được. Có thể làm việc với tủ KSP-2C hoặc làm việc độc lập.
Gửi tín hiệu cắt điện đến Aptomat.

18

GVHD : TS. Khổng Cao Phong
Luyến

SVTH : Mai Thị


Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

Hình 2.6 : Đầu đo khí Oxy loại SC Đầu đo tốc độ gió.
Đầu đo tốc độ gió được đặt ở những vị trí cần kiểm soát tốc độ gió để đảm bảo điều
kiện làm việc. Có dạng bảo vệ nổ an toàn tia lửa và tránh ảnh hưởng của bụi bẩn đến
trục quay

Hình 2.7 : Đầu đo tốc độ gió
 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 CO 2,
khi có sai số >0.2% thì phải thay thế đầu đo hoặc hiệu chuẩn lại. Hai tuần một lần phải
19

GVHD : TS. Khổng Cao Phong
Luyến

SVTH : Mai Thị

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

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
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
20

GVHD : TS. Khổng Cao Phong
Luyến

SVTH : Mai Thị

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

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 HỆ THỐNG 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 S7-1200 thu thập, xử
lý dữ liệu đồng thời gửi tín hiệu về PLC tổng ở trung tâm giám sát là PLC S7-1200. Ở
đây PLC S7-1200 tiếp tục xử lý tín hiệu, kết nối với máy tính có phần mềm giám sát để
hiện thị các thông số và đưa ra các cảnh báo trong trường hợp cần thiết.

21

GVHD : TS. Khổng Cao Phong
Luyến

SVTH : Mai Thị


Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

Hình 3.1 : Sơ đồ hệ thống mới
3.2. Cấu trúc của 1 cụm thu thập dữ liệu.
3.2.1. Cấu trúc

22

GVHD : TS. Khổng Cao Phong
Luyến

SVTH : Mai Thị


Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

1. Vỏ phòng nổ cho PLC
2. Chuông báo động
3. Đèn báo động
4. Nút nhấn

Hình 3.2 : Cấu trúc 1 cụm thiết bị
Một cụm thu thập dữ liệu được hiểu là sự phân bố đầu đo trong 1 đoạn lò khai thác

nhất định, 1 cụm thu thập dữ liệu cơ bản thì có 4 loại đầu đo như trên hình : Đầu đo khí
metan, khí CO, khí Oxy, đầu đo tốc độ gió. Tuy nhiên trên thực tế phụ thuộc vào vị trí và
điều kiện tự nhiên của nơi cần kiểm soát an toàn mà có thể thêm hoặc bớt 1 số đầu đo.
Ví dụ như đầu đo khí CO thường được đặt tại luồng gió thải để kiểm soát sự cháy trong
mỏ. Đầu đo khí metan thì được lắp đặt hầu hết ở mọi đường lò vì đặc tính mỏ của Việt
Nam thường chứa nồng độ khí metan cao. Đầu đo khí oxy thì thường được lắp đặt tại
các lò chợ nơi diễn ra khai thác để kiểm tra nồng độ khí oxy có đủ không.
3.2.2. Bố trí phòng nổ an toàn cụm thiết bị
Trong mô hình cấu trúc cụm thiết bị Hình 3.2 như trên ta thấy các đầu đo hầu hết đã
được thiết kế phòng nổ an toàn. Vì vậy để phòng nổ cho cụm thiết bị thì ta đặt hệ thống
bao gồm PLC và các thiết bị cảnh báo vào trong tủ phòng nổ để đảm bảo an toàn.
23

GVHD : TS. Khổng Cao Phong
Luyến

SVTH : Mai Thị


Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

Môi trường trong hầm lò là môi trường với điều kiện khó khăn. Là môi trường có
bầu không khí gây nổ có thể bao gồm một hỗn hợp với không khí hoặc các chất dễ cháy
trong những dạng hơi, sương hay bụi và có thể thỉnh thoảng xảy ra trong hoạt động bình
thường. Cần phải được giới hạn năng lượng của tia lửa và nhiệt độ. Vì sự cố điện có thể
làm tăng nhiệt độ trong lò. Từ những đặc điểm trên ta chọn được các thông số để chọn
loại tủ phòng nổ như sau :

Hình 3.3 : Tủ phòng nổ
Bảng 3.1 : Thông số của tủ phòng nổ.
Thông số
Kiểu môi trường
Dải nhiệt độ
Cấp phòng nổ theo EN 60 079
Chất liệu
Kích thước
Cấp bảo vệ IP theo IEC 60 529
Chứng chỉ
Tiêu chuẩn

Giá trị
Zone 1 là kiểu môi trường khí gas
-30˚ ÷ 80˚C
Exe – increase safefy
Thép không rỉ 1.4301 (AISI 304)
300×300×120 (mm)
IP52 – Chống bụi và nước theo phương đứng
PTB 03 ATEX 1013U,IEC Ex PTB 09.0033U
ATEX,IEC

24

GVHD : TS. Khổng Cao Phong
Luyến

SVTH : Mai Thị

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

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. Cảm biến
Để đo nồng độ khí trong các mỏ, người ta sử dụng rất nhiều loại đầu đo, cảm biến
khí với độ bền và những ưu điểm khác nhau phù hợp với môi trường khó khăn của mỏ.
Tất cả các cảm biến đều có cấu trúc phòng nổ an toàn
3.3.1. Đầu đo khí metan
• Chức năng, vị trí lắp đặt
Đầu đo khí metan được lắp đặt để kiểm soát cháy nổ trong đường lò. Cách lắp đặt
được nêu ra trong mục 2.3.2.2.2 trang 18.
 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:
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.
25

GVHD : TS. Khổng Cao Phong
Luyến

SVTH : Mai Thị