Luận văn thiết kế chế tạo bộ phản hồi vị trí cho van điện ứng dụng trong cung cấp nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TRẦN VƯƠNG CÔNG

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ PHẢN HỒI VỊ TRÍ
CHO VAN ĐIỆN ỨNG DỤNG TRONG CUNG CẤP NƯỚC

Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS HOÀNG SĨ HỒNG

Hà Nội – Năm 2016


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp: “Thiết kế chế tạo bộ phản hồi vị trí
cho van điện ứng dụng trong cung cấp nước” do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của
thầy giáo PGS.TS Hoàn Sĩ Hồng. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực
tế.
Để hoàn thành luận văn này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh
mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu
phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2016
Học viên thực hiện

Trần Vương Công


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................i
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ............................................................................... iii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
Chương 1. VAN ĐIỆN TRONG CUNG CẤP NƯỚC ...........................................2
1.1. Van điều khiển .................................................................................................2
1.1.1. Tổng quan..................................................................................................2
1.1.2. Van khí nén ...............................................................................................3
1.1.3. Van điện ....................................................................................................4
1.2. Van điện trong cung cấp nước .........................................................................5
1.2.1. Cấu tạo van điện ........................................................................................5
1.2.2. Cơ cấu chấp hành cho van điện.................................................................6
1.2.3. Van điện và lĩnh vực cung cấp nước .........................................................8
Chương 2. BỘ PHẢN HỒI VỊ TRÍ CHO VAN ĐIỆN TRONG CUNG CẤP
NƯỚC .........................................................................................................................9
2.1. Yêu cầu đối với bộ phản hồi vị trí cho van điện trong cấp nước. ....................9
2.2. Phương pháp xác định vị trí van điện ............................................................10
2.3. Truyền thông cho bộ phản hồi vị trí van ........................................................11
2.3.1. Các chuẩn truyền thông phổ biến trong công nghiệp .............................12
2.3.2. Giao thức Modbus ...................................................................................16
2.4. Sơ đồ khối hệ thống phản hồi vị trí cho van van điện ...................................24
Chương 3. THIẾT KẾ BỘ PHẢN HỒI VỊ TRÍ CHO VAN ĐIỆN TRONG
CUNG CẤP NƯỚC .................................................................................................26
3.1. Khối vi điều khiển. .........................................................................................26
3.1.1. Cấu trúc khối vi điều khiển. ....................................................................26

3.1.2. Truyền thông trong hệ vi điều khiển .......................................................27
3.1.3 Chọn vi điều khiển ...................................................................................32
3.2. Các mạch chức năng trong bộ phản hồi vị trí van .........................................34
3.2.1. Mạch xử lý tín hiệu đầu vào...................................................................35
3.2.2. Mạch hiển thị giao diện người dùng và giao tiếp bàn phím ...................40
3.2.3. Mạch truyền thông RS-485 .....................................................................43
3.2.4. Mạch cấp nguồn ......................................................................................44
3.3. Ghép nối hệ thống phần cứng ........................................................................47
3.4. Chương trình thực hiện trên vi điều khiển .....................................................50
3.4.1. Chương trình trên vi điều khiển Master ..................................................50
3.4.2. Phần mềm trên vi điều khiển Slave .........................................................52
Chương 4. CHẾ TẠO MÔ HÌNH VÀ CHẠY THỬ ............................................54
4.1. Chế tạo bộ phản hồi vị trí cho van điện. ........................................................54
4.1.1. Hệ thống phần cứng ................................................................................54
4.1.2. Thao tác trên bộ phản hồi vị trí van điện ................................................56
4.2. Mô hình thử nghiệm .......................................................................................59
4.2.1. Mô hình van điện và cơ cấu chấp hành ...................................................59
4.2.2. Mô hình hộp điều khiển van điện............................................................60
4.2.3. Ghép nối mô hình thử nghiệm ................................................................61
4.3. Thử nghiệm và nhận xét .................................................................................62
4.4. Khó khăn khi thực hiện đề tài, hướng phát triển của đề tài ...........................65
KẾT LUẬN ..............................................................................................................66
TÀI LIỆU THAM KHẢO


Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Một số loại van điều khiển trong công nghiệp ............................................2

Hình 1.2. Van khí nén trong công nghiệp ...................................................................3
Hình 1.3. Van điện trong công nghiệp ........................................................................4
Hình 1.4. Cơ cấu chấp hành của van điện ...................................................................5
Hình 1.5. Cấu tạo một loại cơ cấu chấp hành cho van điện ........................................6
Hình 1.6. Một số phụ kiện có thể thêm vào cơ cấu chấp hành ...................................7
Hình 2.1. Bộ chỉ thị vị trí van trên cơ cấu chấp hành ..............................................10
Hình 2.2. Gắn biến trở vào trục chỉ thị cơ cấu chấp hành.........................................11
Hình 2.3. Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485 .........................................15
Hình 2.5. Chu trình yêu cầu – đáp ứng Modbus .......................................................17
Hình 2.6. Khung thông báo Modbus chế độ ASCII ..................................................20
Hình 2.7. Khung thông báo Modbus chế độ RTU ....................................................20
Hình 2.8. Sơ đồ khối hệ thống phản hồi vị trí cho van điện .....................................24
Hình 3.1. Sơ đồ khối chức năng hệ vi điều khiển. ....................................................27
Hình 3.2. Giao tiếp 1 dây ..........................................................................................28
Hình 3.3. Bus I2C và các thiết bị ..............................................................................29
Hình 3.4. Các kiểu kết nối trong mạng SPI ..............................................................31
Hình 3.5. Vi điều khiển MSP430G2553 ...................................................................32
Hình 3.6. Sơ đồ khối vi điều khiển MSP430G2553 .................................................33
Hình 3.7. Hệ vi điều khiển ........................................................................................34
Hình 3.8. Sơ đồ khối IC khuếch đại thuật toán LM358 ............................................36
Hình 3.9. Mạch xử lý tín hiệu tương tự đầu vào .......................................................37
Hình 3.10. Cách ly quang TLP521 và sơ đồ nguyên lý ............................................38
Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý mạch cách ly quang......................................................39
Hình 3.12. Màn hình LCD20x4 ................................................................................40
Hình 3.13. Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp LCD .....................................................42
i


Danh mục hình vẽ

Hình 3.14. Sơ đồ nguyên lý hệ thống nút bấm..........................................................42
Hình 3.15. MAX485 và sơ đồ khối ...........................................................................43
Hình 3.16. Mạch giao tiếp RS485 .............................................................................44
Hình 3.17. Các vi mạch nguồn LM2596, LM7805, AMS1117-3.3..........................45
Hình 3.18. Sơ đồ khối LM2596 ................................................................................45
Hình 3.19. Sơ đồ chân LM7805 ................................................................................46
Hình 3.20. Sơ đồ chân AMS1117 .............................................................................46
Hình 3.21. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn ..................................................................46
Hình 3.22. Hệ thống phần cứng bộ phản hồi vị trí van điều khiển ...........................47
Hình 3.23. Mạch in bộ phản hồi vị trí van điện – Mặt trên ......................................48
Hình 3.25. Hình ảnh 3D mạch in bộ phản hồi vị trí van ...........................................49
Hình 3.26. Mạch in - phần mạch ghép nối với LCD ................................................49
Hình 3.27. Lưu đồ thuật toán chương trình thực hiện trên vi điều khiển Master .....51
Hình 3.28. Lưu đồ thuật toán chương trình thực hiện trên vi điều khiển Slave .......52
Hình 4.1. Bo mạch chính và mạch ghép nối LCD, nút bấm .....................................54
Hình 4.2. Ghép nối các mạch in –LCD – nút bấm ....................................................54
Hình 4.3. Bộ phản hồi vị trí đã lắp ráp vào hộp ........................................................55
Hình 4.4. Sơ đồ đấu nối cầu đấu bộ phản hồi vị trí cho van điện .............................55
Hình 4.4. Giao diện trên LCD- bộ phản hồi vị trí cho van điện ...............................56
Hình 4.5. So sánh mô hình và van điện thực tế ........................................................59
Hình 4.6. So sánh ghép nối biến trở trong mô hình với thực tế ................................60
Hình 4.7. Mô hình hộp điều khiển van điện..............................................................60
Hình 4.8. Sơ đồ nguyên lý mô hình hộp điều khiển cho van điện. ...........................61
Hình 4.9. Mô hình thử nghiệm bộ phản hồi vị trí cho van điện ................................61
Hình 4.10. Cáp USB-RS485 và bộ nguồn 24V-5A ..................................................62
Hình 4.11. Ghép nối biến trở với cơ cấu chấp hành trong thực tế ............................64

ii

Danh mục bảng số liệu

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 2.1. Tóm tắt các thông số quan trọng của RS-232 ...........................................12
Bảng 2.2. Tóm tắt các thông số quan trọng của RS-422 ...........................................13
Bảng 2.3. Tóm tắt các thông số quan trọng của RS-485 ...........................................14
Bảng 2.4. Các hàm Modbus tiêu biểu. ......................................................................22
Bảng 3.1. Sơ đồ và chức năng các chân LCD20x4 ...................................................41
Bảng 4.1. Thanh ghi chức năng theo giao thức Modbus ..........................................56
Bảng 4.3. Hướng dẫn cài đặt bộ phản hồi vị trí van điện .........................................57
Bảng 4.2. Kết quả thử nghiệm ..................................................................................63

iii


Mở đầu

MỞ ĐẦU
Ngày nay, van điều khiển nói chung và van điện nói riêng có vai trò hết sức
quan trọng trong công nghiệp. Van điện xuất hiện phổ biến với số lượng lớn trong
nhiều lĩnh vực sản xuất. Đặc biệt, trong lĩnh vực cung cấp nước, van điện phát huy
được rất nhiểu khả năng của nó: từ điều tiết lưu lượng, áp suất trên đường ống đến
việc tham gia vào các hoạt động của xử lý nước trong nhà máy.
Tại Việt Nam hiện nay, với xu thế tự động hóa trong sản xuất, các nhà máy
nước, các trạm bơm đang có chiều hướng chuyển từ van cơ truyền thống sang các
van điều khiển, đặc biệt là các van điện.
Tuy nhiên, vấn đề phát sinh ở đây là giá thành của một van điện có phụ kiện
phản hồi vị trí lại tương đối cao. Với nhu cầu thực tế trên, tôi đã đề xuất thực hiện đề
tài luận văn thạc sĩ: “Thiết kế chế tạo bộ phản hồi vị trí cho van điện ứng dụng trong
cung cấp nước”.

Nội dung của luận văn gồm bốn chương:
- Chương 1: Van điện trong cung cấp nước.
- Chương 2: Bộ phản hồi vị trí cho van điện trong cung cấp nước.
- Chương 3: Thiết kế bộ phản hồi vị trí cho van điện trong cung cấp nước.
- Chương 4: Chế tạo mô hình, chạy thử và kết quả.
Trong quá trình thực hiện đề tài không thể tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất
mong nhận được các ý kiến góp ý để hoàn thiện hơn luận văn của mình.
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2016
Học viên thực hiện

Trần Vương Công

1


Chương 1. Van điện trong cung cấp nước

Chương 1
VAN ĐIỆN TRONG CUNG CẤP NƯỚC
1.1. Van điều khiển
1.1.1. Tổng quan
Van điều khiển là một trong những thiết bị chấp hành quan trọng và phổ biến
nhất trong công nghiệp, được đóng – mở một cách tự động bằng điện hoặc khí nén
nhờ vào tín hiệu điều khiển. Chúng thường được sử dụng để kiểm soát các thông số
như lưu lượng, áp suất, mức, … của nguyên, nhiên liệu. Hình 1.1 mô tả một số loại
van điều khiển gặp trong công nghiệp.

Hình 1.1. Một số loại van điều khiển trong công nghiệp
Hiện nay, van điều khiển có ứng dụng trong rất nhiều ngành khác nhau, như:
- Ứng dụng trong ngành thực phẩm và nước uống, nước giải khát.

- Ứng dụng trong các nhà máy bia.
- Ứng dụng trong các nhà máy thủy sản.
- Ứng dụng trong các nhà áy thức ăn gia súc.
- Ứng dụng trong ngành nồi nơi, lò dầu truyền nhiệt.
- Ứng dụng cho các nhà máy điện.

2


Chương 1. Van điện trong cung cấp nước

- Ứng dụng trong ngành sơn, hóa chất, cao su, thép.
- Ứng dụng trong các nhà máy nước thải, nước cấp.
-…
Trong công nghiệp, thường hay gặp hai loại van điều khiển sau:
- Van khí nén.
- Van điện.

1.1.2. Van khí nén
Van khí nén là van được điều khiển bởi áp lực của khí nén. Hình 1.2 mô tả
một loại van khí nén trong công nghiệp.

Hình 1.2. Van khí nén trong công nghiệp
Cấu tạo của van khí nén gồm 2 phần chính:
- Thân van: phần kết nối trực tiếp trên đường ống, là phần trực tiếp tạo ra
trạng thái đóng hoặc mở của van.
- Phần điều khiển khí nén – xy lanh: là phần chịu tác động của khí nén, điều
khiển trục van.

3

Chương 1. Van điện trong cung cấp nước

Nguyên lý hoạt động: khí nén được ấp vào bộ điều khiển khí (qua một van phụ
có nhiệm vụ cấp và ngưng cấp khí) tác động làm cho xy lanh của bộ điều khiển khí
nén chuyển động, một cơ cấu cơ khí bên trong biến chuyển động tịnh tiến của xy lanh
thành chuyển động của trục van, tác động đến trạng thái của van giúp van chuyển
trạng thái (đóng, mở).
Van khí nén có thời gian đáp ứng nhanh thường được dùng trong công nghiệp
lò hơi, dẫn dầu truyền nhiệt, dẫn hơi nước, …

1.1.3. Van điện
Van điện là van được điều khiển, kích động bằng điện. Khi có tín hiệu điều
khiển điện, cơ cấu chấp hành của van điện (là một động cơ điện) quay, một cơ cấu cơ
khí biến chuyển động quay trục động cơ thành chuyển động của trục van, tác động
đến trạng thái đóng, mở van. Hình 1.3 mô tả một loại van điện gặp trong công nghiệp.

Hình 1.3. Van điện trong công nghiệp
So với van khí nén, van điện thường có thời gian đáp ứng chậm hơn, tuy nhiên
độ chính xác của van điện cao hơn.
Trong điều khiển, van điện thường được chia thành hai loại:
- Van điều khiển ON/OFF: Tín hiệu điều khiển van là logic 1 và 0 ứng với
việc mở van và khóa van.

4


Chương 1. Van điện trong cung cấp nước

- Van điều khiển liên tục: Tín hiệu điều khiển van là tín hiệu liên tục, có thể
là tín hiệu dòng 4-20mA hoặc tín hiệu điện áp 0-10V.
Phần tiếp theo sẽ tìm hiểu rõ hơn về van điện và ứng dụng trong lĩnh vực cung
cấp nước.

1.2. Van điện trong cung cấp nước
1.2.1. Cấu tạo van điện
Cấu tạo của van điện được gồm các thành phần:
- Thân van: bản thân là một van cơ khí, kết nối trực tiếp trên đường ống.
- Bộ phận truyền động: động cơ và cơ cấu cơ khí có nhiệm vụ điều khiển
chuyển động của van.
- Phụ kiện: là các thành phần khác của van điện, như: bộ điều khiển vị trí
(positioner), bộ phản hồi vị trí (position sensor), công tắc hành trình (limit switch),
tay quay (handwheel), các bo mạch truyền thông, …
Trong thực tế các hãng sản xuất thường kết hợp bộ phận truyền động và một
vài phụ kiện cơ bản (công tắc hành trình, tay quay, …) vào một module được gọi là
cơ cấu chấp hành (actuator). Một van điện hoàn chỉnh là van điện gồm thân van và
cơ cấu chấp hành (một cơ cấu chấp hành có thể ghép nối được với một vài loại van
khác nhau). Hình 1.4 thể hiện một dạng cơ cấu chấp hành của van điện.

Hình 1.4. Cơ cấu chấp hành của van điện

5


Chương 1. Van điện trong cung cấp nước

1.2.2. Cơ cấu chấp hành cho van điện
Nhìn chung, các loại cơ cấu chấp hành cho van điện đều có cấu tạo tương đồng
nhau. Hình 1.5 mô tả một số bộ phận của cơ cấu chấp hành cho van điện.

Hình 1.5. Cấu tạo một loại cơ cấu chấp hành cho van điện
Về cấu tạo, cơ cấu chấp hành cho van điện thường gồm các phần:
- Động cơ và mạch điều khiển động cơ.
- Cơ cấu truyền động cơ khí: có nhiệm vụ biến chuyển động quay của động
cơ thành chuyển động của trục van.
- Tay quay (handwheel): dùng trong chế độ vận hành bằng tay (khi có sự cố
hoặc mất điện).
- Bộ phận chỉ thị vị trí van (indicator): chỉ thị vị trí hiện tại của van.

6


Chương 1. Van điện trong cung cấp nước

- Công tắc hành trình (limit switch): giới hạn hành trình động cơ, không cho
phép động cơ quay quá giới hạn làm việc ảnh hưởng tới kết cấu cơ khí van hoặc gây
hư hại cho động cơ.
- Cầu đấu (terminal): đấu nối cơ cấu chấp hành với các thiết bị khác.
Ngoài ra, các phụ kiện có thể được lắp bổ sung vào cơ cấu chấp hành để tăng
thêm tính năng cho van điện. Giá thành của các phụ kiện lắp thêm cho cơ cấu chấp
hành này thường cao, tăng đáng kể giá thành của van điện, đặc biệt với các phụ kiện
như: bo mạch điều khiển vị trí, phản hồi vị trí, các bo mạch truyền thông, … Hình 1.6
mô tả một số loại phụ kiện có thể lắp thêm vào cho cơ cấu chấp hành của van điện.

Hình 1.6. Một số phụ kiện có thể thêm vào cơ cấu chấp hành

7

Chương 1. Van điện trong cung cấp nước

1.2.3. Van điện và lĩnh vực cung cấp nước
Ngày nay, trong cung cấp nước, van điện đóng vai trò hết sức quan trọng như:
- Điều khiển đóng, mở đường ống cấp nước.
- Điều tiết lưu lượng, áp lực trong đường ống.
- Điều tiết việc khóa-xả bồn chứa trong các bể xử lý, bể chứa nước.
- Điều tiết lượng hóa chất tới các bể chứa trong xử lý nước.
-…
Tại Việt Nam, do yêu cầu giảm giá thành xây lắp trạm, nhà máy, loại van điện
thường gặp nhất là loại van chỉ gồm thân van và cơ cấp chấp hành với cấu hình cơ
bản, không có các bộ điều khiển, phản hồi vị trí, các bo mạch truyền thông, …
Tuy nhiên, trong một số trường hợp vận hành (như điều tiết lưu lượng, kiểm
soát pha chế hóa chất … ) vẫn yêu cầu giám sát, theo dõi vị trí hoặc góc mở van một
cách tương đối, không cần độ chính xác quá cao. Điều này phát sinh yêu cầu chế tạo
một sản phẩm có khả năng phản hồi vị trí van với giá thành thấp, thay thế các phụ
kiện nói trên.

Kết luận: Như vậy chương 1 đã giới thiệu về các loại van điều khiển thường
gặp trong công nghiệp, mô tả sơ bộ cấu tạo của van điện và cơ cấu chấp hành của nó.
Chương này cũng đưa ra các ứng dụng của van điện trong cung cấp nước, thực tại
các van điện trong lĩnh vực này và yêu cầu cấp bách của việc thiết kế, chế tạo bộ phản
hồi vị trí cho van điện.

8


Chương 2. Bộ phản hồi vị trí cho van điện trong cung cấp nước

Chương 2

BỘ PHẢN HỒI VỊ TRÍ CHO VAN ĐIỆN
TRONG CUNG CẤP NƯỚC
2.1. Yêu cầu đối với bộ phản hồi vị trí cho van điện trong cấp nước.
Trong lĩnh vực cấp nước, thời gian van điện thực hiện một hành trình làm việc
(từ đóng sang mở và ngược lại) khá dài, thường từ 2-5 phút đối với các van cỡ lớn,
từ 30 giây tới 1 phút đối với các van cỡ vừa và nhỏ. Bên cạnh đó, độ chính xác của
bộ phản hồi vị trí cho van điện trong cấp nước cũng không cần quá cao như đối với
điều khiển quá trình. Do vậy để phù hợp với việc theo dõi, giám sát hoạt động của
van điện trong lĩnh vực này , bộ phản hồi vị trí van điện cần đáp ứng hai yêu cầu sau:
- Thời gian đáp ứng: dưới 5 giây.
- Độ sai lệch so với vị trí thực của van: dưới 5%.
Ngoài ra, mục đích thay thế các phụ kiện đắt tiền của các hãng sản xuất cơ cấu
chấp hành, dễ dàng vận hành trong công nghiệp, bộ phản hồi vị trí van cần đáp ứng
các tiêu chí sau:
- Có khả năng hiển thị, thông báo thông tin tới người vận hành.
- Có khả năng giao tiếp, kết nối với các thiết bị giám sát, theo dõi, điều khiển
(các bộ điều khiển công nghiệp, PLC, PC, …)
- Sử dụng các linh kiện dễ tìm kiếm trên thị trường, thuận lợi cho việc sửa
chữa, nâng cấp sản phẩm.
- Giá thành sản phẩm thấp.
Do phần không gian dự trữ phía trong cơ cấu chấp hành được thiết kế để lắp
vừa các phụ kiện của nhà sản xuất nên bộ phản hồi vị trí cho van điện trong đề tài
được lắp bên ngoài cơ cấu chấp hành.

9


Chương 2. Bộ phản hồi vị trí cho van điện trong cung cấp nước

2.2. Phương pháp xác định vị trí van điện

Trước khi tiến hành thiết kế, chế tạo bộ phản hồi vị trí cho van điện, cần tìm
phương pháp xác định vị trí van phù hợp nhất.
Với các cơ cấu chấp hành của van điện, bản thân đều có sẵn bộ chỉ thị vị trí
cho mắt thường. Bộ chỉ thị này gắn trên một trục cơ khí mà chuyển động của nó có
liên hệ với chuyển động của trục van. Hình 2.1 mô tả một bộ chỉ thị vị trí van bằng
mắt thường trên một loại cơ cấu chấp hành.

Hình 2.1. Bộ chỉ thị vị trí van trên cơ cấu chấp hành
Để không làm ảnh hưởng tới kết cấu thân van cũng như cơ cấu chấp hành, bộ
phản hồi cũng có thể dựa vào cách xác định vị trí trục cơ khí chỉ thị vị trí van nói trên
để xác định vị trí van.
Để xác định vị trí của trục chỉ thị, có thể sử dụng một số phương án sau:
- Sử dụng encoder với cơ cấu cơ khí liên động với trục chỉ thị.
- Sử dụng cảm biến hall gắn xung quanh trục chỉ thị.
- Sử dụng biến trở với cơ cấu cơ khí liên động với trục chỉ thị.
Với các phương án sử dụng encoder hay cảm biến hall, tín hiệu nhận về từ các
thiết bị này thường nhỏ và dễ bị nhiễu (ảnh hưởng bởi động cơ và bo mạch điều khiển
động cơ, ảnh hưởng bởi nhiễu do nguồn cấp vào cơ cấu chấp hành, …). Việc lắp ráp
thêm các cơ cấu này vào trục chỉ thị cũng tương đối phức tạp (không gian dự trữ trong

10


Chương 2. Bộ phản hồi vị trí cho van điện trong cung cấp nước

cơ cấu chấp hành không được thiết kế để lắp thêm các thiết bị này). Ngoài ra, như đã
phân tích tại mục 2.1, bộ phản hồi vị trí van sẽ được lắp ngoài cơ cấu chấp hành khiến
cho việc kết nối các thiết bị này với bộ phản hồi vị trí van gặp nhiều khó khăn.
Trong phương án sử dụng biến trở với cơ cấu cơ khí liên động với trục chỉ thị,
khi trục chỉ thị quay, thông qua cơ cấu liên động làm quay biến trở khiến biến trở

thay đổi giá trị. Bộ phản hồi vị trí dựa vào sự thay đổi giá trị biến trở để xác định vị
trí của van. Việc lắp thêm biến trở và cơ cấu liên động với trục chỉ thị cũng không
quá khó khăn. Đây cũng là phương pháp được sử dụng phổ biến trong phụ kiện phản
hồi vị trí của cơ cấu chấp hành mà nhà sản xuất cung cấp (như hình 2.2)

Hình 2.2. Gắn biến trở vào trục chỉ thị cơ cấu chấp hành
Với các lý do trên, bộ phản hồi vị trí van điện thiết kế trong đề tài sẽ sử dụng
phương án dùng biến trở kết hợp cùng cơ cấu cơ khí liên động với trục chỉ thị để xác
định vị trí van điện. Bên cạnh đó, có thể kết hợp thông tin từ các công tắc hành trình
đã có sẵn trong cơ cấu chấp hành để hỗ trợ việc xác định vị trí van điện.

2.3. Truyền thông cho bộ phản hồi vị trí van
Để nâng cao phạm vi sử dụng của bộ phản hồi vị trí, việc trang bị thêm cho nó
khả năng truyền thông là yêu cầu rất quan trọng.

11


Chương 2. Bộ phản hồi vị trí cho van điện trong cung cấp nước

2.3.1. Các chuẩn truyền thông phổ biến trong công nghiệp
Trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp, truyền dữ liệu nối tiếp,
không đồng bộ là phương pháp được sử dụng chủ yếu. Các chuẩn truyền nối tiếp cho
thiết bị cấp trường được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp hiện nay đó là RS232, RS-422, RS-485…
a. RS-232
RS-232 lúc đầu được xây dựng phục vụ việc ghép nối điểm-điểm giữa hai thiết
bị đầu cuối, ví dụ giữa hai máy tính (PC, PLC, v.v...), giữa máy tính và máy in, hoặc
giữa một thiết bị đầu cuối và và một thiết bị truyền dữ liệu.
RS-232 sử dụng phương thức truyền không đối xứng, tức là sử dụng tín hiệu
điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất. Mức điện áp được sử dụng dao động

trong khoảng từ -15V tới 15V. Khoảng từ 3V đến 15V ứng với giá trị logic 0, khoảng
từ -15V đến -3V ứng với giá trị logic 1. Bảng 2.1 tóm tắt một số thông số về điện học
của RS-232.
Bảng 2.1. Tóm tắt các thông số quan trọng của RS-232
Thông số

Điều kiện

Tối thiểu

Điện áp đầu ra hở mạch

Tối đa
25V

Điện áp đầu ra khi có tải

3kΩ ≤ RL ≤ 7 kΩ

Trở kháng đầu ra khi cắt nguồn

-2V ≤ Vo ≤ 2V

5V

15V
300Ω

Dòng ra ngắn mạch

500mA

Điện dung tải

2500pF

Trở kháng đầu vào

3V ≤ VI ≤ 2V

3kΩ

Ngưỡng cho giá trị logic 0

7kΩ
3V

Ngưỡng cho giá trị logic 1

-3V

Tốc độ truyền dẫn tối đa của mạng RS-232 phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn,
tốc độ tối đa của mạng RS-232 lên tới 115.2 kBd.

12


Chương 2. Bộ phản hồi vị trí cho van điện trong cung cấp nước

Chế độ làm việc của hệ thống RS-232 là hai chiều toàn phần (full-duplex), tức

là hai thiết bị tham gia cùng có thể thu và phát tín hiệu cùng một lúc. Như vậy, việc
thực hiện truyền thông cần tối thiểu 3 dây dẫn - trong đó hai dây tín hiệu nối chéo các
đầu thu phát của hai trạm và một dây đất.
Mặc dù tính năng hạn chế, tốc độ không cao, RS-232 là một trong các chuẩn
tín hiệu kinh điển nhất, vì thế được sử dụng rất rộng rãi. Nhiều thiết bị công nghiệp
tích hợp cổng RS-232 phục vụ lập trình hoặc tham số hóa.
b.RS-422
Khác với RS-232, RS-422 sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng giữa
hai dây dẫn A và B, nhờ vậy giảm được nhiễu và cho phép tăng chiều dài dây dẫn.
RS-422 thích hợp cho phạm vi truyền dẫn tới 1200 mét mà không cần bộ lặp. Điện
áp chênh lệch dương ứng với trạng thái logic 0 và âm ứng với trạng thái logic 1. Bảng
2.2 tóm tắt một số thông số về điện học của RS-422.
Bảng 2.2. Tóm tắt các thông số quan trọng của RS-422
Thông số

Điều kiện

Tối thiểu

Điện áp đầu ra hở mạch
Điện áp đầu ra khi có tải

Tối đa
±10V

RT = 100Ω

±2V

Trở kháng đầu ra

100Ω

Dòng ra ngắn mạch

±150mA

Thời gian quá độ đầu ra

10% Ta*

RT = 100Ω

Điện áp chế độ chung đầu ra VOC RT = 100Ω

±3V

Độ nhạy cảm đầu vào

±200mV

-7V ≤ VCM ≤ 7V

Điện áp chế độ chung VCM

-7V

Trở kháng đầu vào

4k Ω

( )

* Ta : Thời gian bit

13

7V


Chương 2. Bộ phản hồi vị trí cho van điện trong cung cấp nước

Cấu hình ghép nối tối thiểu của RS-422 cần một đôi dây (A và B) để truyền
tín hiệu. Với cấu hình này chỉ có thể dùng phương pháp truyền một chiều (simplex)
hoặc hai chiều gián đoạn (half-duplex) - trong một thời điểm chỉ có một tín hiệu duy
nhất được truyền đi. Để truyền hai chiều toàn phần (full-duplex) cần hai đôi dây.
Trong cả hai trường hợp sử dụng cấu hình hai dây hay bốn dây, việc sử dụng
thêm một dây đất đóng tuy không giúp gì cho việc xác định giá trị logic tương ứng
với mức tín hiệu song lại một vai trò khác rất quan trọng. Trên một khoảng cách vài
trăm đến hàng ngàn mét, mức điện áp đất có thể rất khác nhau, điều cần thiết ở đây
là giữ một mức điện áp chế độ chung VCM cho các trạm tham gia ở một giới hạn quy
định, nếu không dữ liệu truyền đi sẽ bị mất và các cổng kết nối sẽ bị phá hỏng.
Ngưỡng giới hạn qui định cho VCM đối với RS-422 là ±7V.
RS-422 có khả năng ghép nối điểm-điểm, hoặc điểm-nhiều điểm trong một
mạng đơn giản - cụ thể là duy nhất một trạm được phát và 10 trạm có thể nhận tín
hiệu. Tuy vậy, trong thực tế RS-422 thường chỉ được dùng để ghép nối điểm-điểm
với mục đích thay thế RS-232 cho khoảng cách truyền thông lớn và tốc độ cao hơn.
c.RS-485
Về các đặc tính điện học, RS-485 và RS-422 giống nhau về cơ bản. RS-485
cũng sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dây dẫn A và B. Bảng 2.3

tóm tắt một số thông số về điện học của RS-485.
Bảng 2.3. Tóm tắt các thông số quan trọng của RS-485
Thông số

Điều kiện

Điện áp đầu ra hở mạch
Điện áp đầu ra khi có tải

RL = 54Ω

Dòng ra ngắn mạch
Thời gian quá độ đầu ra

Tối thiểu

Tối đa

±1.5V

±6V

±1.5V

±5V
±250mA

RL = 54Ω
CL = 54pF

14

30% Ta


Chương 2. Bộ phản hồi vị trí cho van điện trong cung cấp nước

Điện áp chế độ chung đầu ra VOC RL = 54Ω
Độ nhạy cảm đầu vào

-1V

-7V ≤ VCM ≤ 12V

3V
±200mV

Điện áp chế độ chung VCM

-7V

Trở kháng đầu vào

12k Ω

12V

Đặc tính khác nhau cơ bản của RS-485 so với RS-422 là khả năng ghép nối
nhiều điểm, vì thế RS-485 được dùng phổ biến trong các hệ thống bus trường. Cụ thể,
32 trạm có thể tham gia ghép nối, được định địa chỉ và giao tiếp đồng thời trong một

đoạn RS-485 mà không cần bộ lặp. Để đạt được điều này, trong một thời điểm chỉ
một trạm được phép kiểm soát đường dẫn và phát tín hiệu, vì thế một bộ kích thích
đều phải đưa về chế độ trở kháng cao mỗi khi rỗi, tạo điều kiện cho các bộ kích thích
ở các trạm khác tham gia.
Với RS-485, trạng thái logic của tín hiệu chỉ được định nghĩa trong khoảng từ
±1,5V đến ±5V đối với đầu ra (bên phát) và từ ±0,2V đến ±5V đối với đầu vào (bên
thu). Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485 được thể hiện trên Hình 2.3.

Hình 2.3. Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485
Cũng như RS-422, RS-485 cho phép khoảng cách tối đa giữa trạm đầu và trạm
cuối trong một đoạn mạng là 1200m, không phụ thuộc vào số trạm tham gia. Tốc độ
truyền dẫn tối đa có thể lên tới 10Mbit/s, một số hệ thống gần đây có khả năng làm

15


Chương 2. Bộ phản hồi vị trí cho van điện trong cung cấp nước

việc với tốc độ 12Mbit/s. Tuy nhiên có sự ràng buộc giữa tốc độ truyền dẫn tối đa và
độ dài dây dẫn cho phép, tức là một mạng dài 1200m không thể làm việc với tốc độ
10MBd. Quan hệ giữa chúng phụ thuộc nhiều vào chất lượng cáp dẫn được dùng cũng
như phụ thuộc vào việc đánh giá chất lượng tín hiệu.
d. Áp dụng chuẩn truyền thông trong bộ phản hồi vị trí van điện
Hiện nay, RS-485 đóng vai trò quan trọng tuyệt đối trong mạng truyền thông
công nghiệp, tồn tại trên rất nhiều các thiết bị (PLC, cảm biến, …). Với lý do trên, bộ
phản hồi vị trí trong đề này áp dụng RS-485 cho cổng truyền thông của nó.
Trong kỹ thuật truyền thông, bên cạnh việc lựa chọn chuẩn truyền dẫn, bất cứ
sự giao tiếp nào cũng cần phải tuân thủ theo các quy tắc, thủ tục cho việc giao tiếp,
gọi là giao thức. Với RS-485, giao thức ở dạng phổ biến nhất trên các thiết bị cấp
trường là Modbus. Phần tiếp theo tiến hành tìm hiểu giao thức Modbus để áp dụng

nó trong bộ phản hồi vị trí van.

2.3.2. Giao thức Modbus
Modbus là một giao thức do hãng Modicon (sau này thuộc AEG và Schneider
Automation) phát triển. Modbus định nghĩa một tập hợp rộng các dịch vụ phục vụ
trao đổi dữ liệu quá trình, dữ liệu điều khiển và dữ liệu chẩn đoán. Modbus mô tả quá
trình giao tiếp giữa một bộ điều khiển với các thiết bị khác thông qua cơ chế yêu
cầu/đáp ứng. Vì lý do đơn giản nên Modbus có ảnh hưởng tương đối mạnh, và rất
phổ biến trong công nghiệp.
a.Cơ chế giao tiếp
Cơ chế giao tiếp ở Modbus phụ thuộc vào hệ thống truyền thông cấp thấp. Cụ
thể, có thể phân chia ra hai loại là mạng Modbus chuẩn và Modbus trên các mạng
khác (ví dụ TCP/IP, Modbus Plus, MAP).
Các cổng Modbus chuẩn trên các bộ điều khiển của Modicon cũng như một số
nhà sản xuất khác sử dụng giao diện nối tiếp RS-232C, tuy nhiên cũng có thể coi RS485 là một mạng Modbus chuẩn.

16


Chương 2. Bộ phản hồi vị trí cho van điện trong cung cấp nước

Trong mạng Modbus chuẩn, các trạm Modbus giao tiếp với nhau qua cơ chế
chủ/tớ (Master/Slave), trong đó chỉ một master có thể chủ động gửi yêu cầu, còn các
slave sẽ đáp ứng bằng dữ liệu trả lại hoặc thực hiện một hành động nhất định theo
như yêu cầu. Master thông thường là các máy tính điều khiển trung tâm và các thiết
bị lập trình, trong khi các slave có thể là PLC hoặc các bộ điều khiển số chuyên dụng.
Một master có thể gửi thông báo yêu cầu tới riêng một slave nhất định, hoặc
gửi thông báo đồng loạt tới tất cả các slave. Chỉ trong trường hợp nhận được yêu cầu
riêng, salve mới gửi thông báo đáp ứng trả lại master.
Giao thức Modbus định nghĩa khuôn dạng của thông báo yêu cầu cũng như

của thông báo đáp ứng, như được minh họa trên hình 2.5.

Hình 2.5. Chu trình yêu cầu – đáp ứng Modbus
Một thông báo yêu cầu bao gồm các phần sau:
- Địa chỉ slave yêu cầu (0-247), trong đó 0 là địa chỉ gửi đồng loạt.
- Mã hàm gọi chỉ thị hành động trạm tớ cần thực hiện theo yêu cầu.
- Dữ liệu chứa các thông tin bổ sung mà slave cần cho việc thực hiện hàm
được gọi. Trong trường hợp đọc thanh ghi, dữ liệu này chỉ rõ thanh ghi đầu tiên và
số lượng các thanh ghi cần đọc.

17