Tài liệu NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐO VÀ QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP pdf

1
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐO
VÀ QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP

KS.Bùi Thị Thanh Quyên, KS.Phạm Ngọc Minh
KS.Phan Minh Tân, PGS-TSKH.Phạm Thượng Cát

Phòng Công nghệ Tự Động Hóa - Viện Công Nghệ Thông Tin
Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
Tel. (84) -04- 8 363484, Fax: (84) -04- 8 363485 e-mail:


Tóm tắt:
Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của công nghiệp hoá, nhà nước ta cũng rất đặt biệt quan tâm tới
vấn đề cảnh báo và bảo vệ môi trường nhất là trong các khu công nghiệp tập trung. Trong báo cáo này chúng
tôi trình bày “Hệ thống đo và quan trắc môi trường xí nghiệp công nghiệp” được phát triển trên nền công nghệ
mạng Ethernet để kiểm tra và cảnh báo các tham số môi trường không khí, nước và tiếng ồn ở các xí nghiệp
công nghiệp. Hệ thống này có nhiều khả năng nổi trội như tốc độ xử lý nhanh, mở rộng cho nhiều điểm đo, các
loại thông số và khu vực đo nhờ sử dụng công nghệ mạng Ethernet và các RTU đo xa. Hệ thống nhỏ gọn, tiêu
tốn ít năng lượng, có độ bền hoạt động trong môi trường công nghiệp, giá cả cạnh tranh với thiết bị nhập ngoại.
Hệ thống có khả năng ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy, xí nghiệp, các phân xưởng sản xuất tự động hoá…

DEVELOPMENT OF AN ENVIRONMENTTAL
MONITORING SYSTEM FOR INDUSTRIAL ENTERPRISES

Abtract:
Today, with the continous growing of industrialized and modelized processes, Vietnamese government is really
interested in forcasting and protecting of environment, especially in industrial parks. In this report, we would
like to introduce “An environment monitoring system for industrial enterprises”, which is developed based on
Ethernet network technology to check and announce air-conditions, water and noise pollution in industrial
enterprises. Our system has advantageous capabilities such as fast processing rate, opened for various

measuring points, various parameters and locations by using Ethernet network technology and remote RTUs.
The system is neat and tidy, low energy consumption, long-lasting lifetime in industrial environment, and
cheaper than imported systems. Our system can be broadly used in factories, enterpries, automated
manufacturing departments...


1. GIỚI THIỆU CHUNG
Vấn đề cảnh báo và bảo vệ môi trường là vấn đề
bức xúc được Nhà nước ta và thế giới quan tâm sâu
sắc. Các xí nghiệp công nghiệp, nhất là các nhà
máy hoá chất, nhà máy sản xuất phân hoá học là
các cơ sở có thể gây ô nhiễm môi trường lớn và cần
có hệ thống tự động đo cảnh báo môi trường nước,
môi trường khí và tiếng ồn.
Với sự phát triển của công nghệ thông tin các thiết
bị đo lường và quan trắc môi trường phục vụ cho xí
nghiệp công nghiệp, cho sản xuất, cho đời sống
ngày càng thông minh hơn.
Sự phát triển của các thế hệ đo đi lên từ thế hệ đo
cơ khí, đo điện, đo điện tử vi mạch rời, đo sử dụng
các vi xử lý cấp thấp đến thế hệ các thiết bị đo, đầu
đo thông minh có các vi xử lý cấp cao, máy tính
nhúng với các thuật đo xử lý hiện đại, có khả năng
tự suy diễn, nhớ và kết nối mạng tốc độ cao. Các
thiết bị hệ thống đo kiểm tra thông minh này bảo
đảm kết quả đo chính xác, khử được nhiễu và khả
năng phân tích xử lý tổng hợp số liệu phong phú, có
nhiều chức năng mà các thế hệ thiết bị trước không
tự động xử lý được. Sự phát triển của công nghệ
thông tin đã đưa tốc độ truyền tin qua mạng

Ethernet lên đến 10-100MB/s gấp hàng trăm lần tốc
độ truyền qua cổng nối tiếp RS-232. Chúng tôi đã
áp dụng công nghệ mạng Ethernet để xây dựng “Hệ
thống đo và quan trắc môi trường xí nghiệp công
nghiệp” để kiểm tra và cảnh báo kịp thời cho sản
xuất, cho cuộc sống. Hệ thống này có nhiều khả
năng xử lý mạnh, nhanh và mở rộng được các điểm
đo, các loại thông số và khu vực đo nhờ sử dụng
mạng Ethernet và các RTU đo xa.

2. HỆ THỐNG ĐO VÀ QUAN TRẮC MÔI
TRƯỜNG XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP.

“Hệ thống đo và quan trắc môi trường xí nghiệp
công nghiệp” gồm có các thiết bị đầu cuối đo xa
RTU (Remote Terminal Unit) đo các giá trị ở các
điểm đo xa, và truyền về máy tính xử lý trung tâm
(Host) chạy chương trình EVIEW để tính toán, hiển
thị, xử lý, cảnh báo, lưu trữ bằng chương trình phần
mềm chạy trên Windows qua mạng ETHERNET.
Hệ thống có khả năng trao đổi thông tin lớn với tốc
độ cao. Thiết bị đầu cuối đo xa có khả năng tính
toán các thuật xử lý thông minh, có độ bền hoạt
động trong môi trường công nghiệp và kích thước
gọn nhẹ, tiêu ít năng lượng, với giá cả cạnh tranh so
với các thiết bị nhập ngoại. Chương trình giao diện
kiểm soát trên máy chủ.

2
EVIEW có khả năng hội thoại, có nhiều công cụ

trợ giúp và nhận dữ liệu của nhiều thiết bị RTU qua
mạng Ethernet. Hệ thống có khả năng ứng dụng rất
rộng trong các nhà máy, phòng thí nghiệm, các
phân xưởng sản xuất tự động hoá.

















Hệ thống này bao gồm:
- Thiết bị đầu cuối đo xa RTU (có thể nối 32
RTU vào hệ thống) có khả năng nối ghép trực
tiếp với các đầu đo công nghiệp như: Đầu đo
tiếng ồn (Datalogging Sound Level Meter -
Model 407764), đầu đo nhiệt độ và độ ẩm
THDP-1.
- Khả năng xử lý tín hiệu mạnh và phần mềm xử
lý tính toán có thể thay đổi, nạp lại từ xa qua

mạng Ethernet tốc độ 10-100MHz.
- Thiết bị đầu cuối đo xa RTU được chế tạo trên
công nghệ nhúng PC/104, có dung lượng bộ
nhớ RAM, bộ nhớ FLASH lớn và có khả năng
kết nối mạng Ethernet với giao thức TCP/IP.
- RTU sử dụng hệ điều hành DOS 6.2, có
chương trình tạo môi trường và các chức năng
TCP/IP trên DOS và thư viện các thuật điều
khiển.
- Chương trình giao diện kiểm soát trên máy chủ
EVIEW có khả năng hội thoại và nhận dữ liệu
của nhiều Thiết bị đầu cuối đo xa RTU cũng
qua mạng Ethernet. Chương trình có giao diện
thân thiện với người sử dụng, có chế độ báo
động, lưu trữ... cho phép phát triển các ứng
dụng toàn cục cũng như thay đổi chương trình
xử lý cho từng Thiết bị đầu cuối đo xa RTU .
- Phần mềm EVIEW được phát triển chạy
trên máy PC có đủ các chức năng thu
thập xử lý dữ liệu của các RTU từ xa.
Ngoài ra, nó có thể thay đổi, nạp lại các
chương trình xử lý tại chỗ của các RTU.
- Các máy tính EVIEW cài hệ điều hành
Win98 trở lên sử dụng giao thức
TCP/IP.
- Có thể nối 4 máy tính có cài EVIEW
vào hệ thống.
Sử dụng các ưu điểm trên của mạng Ethernet,
chúng tôi xây dựng cấu hình phần cứng của
“Hệ thống đo và kiểm soát môi trường tự

động” như sau:
1. Sử dụng 1 HUB.
2. Sử dụng 2 HUB mắc nối tiếp
3. Sử dụng 1 HUB có nhiều EVIEW













1. Sử dụng 2 HUB
mắc nối tiếp
RTU1
 x   
®Çu ®o
RTU2
 x   


HUB
1
RTU3
 x   

®Çu ®o
RTUn
 x   
đầu đo


HUB
2
2. Sử dụng 1 HUB có
nhiều EVIEW
RTU1
 x   
đầu đo
RTUn
 x   
đầu đo


HUB
Ethernet

Đầu đo
dòng:4-20mA
8AI:
4-20mA
. . . . . .
16AI:
0-10V
4rơ le:
~220V

. . .
1- 30 ®iÓm/1200m
RS-232
RS485
1
THDP-1
. . .
Đầu
đo
tiếng
ồn
30
. . .
4rơ le:
~220V

3
Để thông tin liên lạc giữa các máy trên mạng
Ethernet được tin cậy, nhanh, mạnh, mềm dẻo, dễ
phát triển và có khả năng kết nối vào mạng Internet
thì việc lựa chọn hệ điều hành, lựa chọn giao thức
truyền và xây dựng hệ thống phần mềm cho máy
chủ (HOST) và thiết bị RTU như sau:
+ Hệ điều hành của máy chủ: Win98, Win2000,
WinNT là các hệ Windows thông dụng có sẵn
các giao thức TCP/IP chạy trên mạng Ethernet
và có sẵn khả năng kết nối vào Internet.
+ Hệ điều hành của RTU: DOS6.2 Hệ điều hành cơ
bản, rất ổn định, rất phù hợp với các máy tính
nhỏ Pentium1 hoặc 386, chiếm ít bộ nhớ, rất

phù hợp với thiết bị nhúng RTU không có bàn
phím màn hình và có chế độ Watchdog. Tuy
vậy hệ này không có sẵn giao thức TCP/IP nên
chúng tôi phải tự xây dựng lấy. Chúng tôi đã
tạo ra môi trường TCP/IP trên nền DOS và các
hàm dưới dạng thư viện phần mềm, người sử
dụng không cần phải tìm hiểu những rắc rối
của giao thức TCP/IP.
+ Giao thức truyền TCP/IP: Đây là giao thức
thường dùng nhất hiện nay để kết nối giữa các
máy trên mạng cục bộ, kết nối với mạng khác
hoặc kết nối với Internet. Sau đây chúng ta tìm
hiểu kĩ hơn về giao thức này.
 TCP/IP
Để thông tin liên lạc giữa các máy người ta quy
định một giao thức là TCP/IP đặc tả các chi
tiết cách thức mà các máy tính liên lạc với
nhau cũng như các quy ước cho các mạng nối
với nhau và định tuyến giao thông. Nó cũng có
thể dùng để liên kết mạng trong một công ty,
một nhà máy,... không nhất thiết phải nối kết
với các mạng khác bên ngoài.
TCP: Giao thức điều khiển việc truyền
(Transmission Control Protocol) là một giao
thức thông tin liên lạc. Giao thức này đặc tả
định dạng của dữ liệu và lời đáp
(acknowledgement) mà hai máy tính trao đổi
để đạt được việc truyền đáng tin cậy, cũng như
là những thủ tục mà các máy tính sử dụng để
đảm bảo rằng dữ liệu đến được một cách chính

xác. Nó đặc tả cách mà phần mềm TCP phân
biệt trong số các đích trên một máy cụ thể và
cách mà các máy thông tin liên lạc với nhau để
phục hồi các lỗi như mất gói dữ liệu hay gửi dữ
liệu bị trùng lặp. Giao thức này cũng xác định
cách mà hai máy tính khởi động qúa trình
truyền stream TCP và cách mà chúng thống
nhất với nhau khi nào thì hoàn tất việc truyền.
TCP cung cấp cơ chế kiểm soát dòng dữ liệu,
cho phép việc thông tin liên lạc giữa các hệ
thống có tốc độ rất khác nhau.
IP: Internet Protocol là một trong 2 giao thức chính
được sử dụng trong giao thức TCP/IP. IP xác
định những trừu tượng cấp cao như: địa chỉ IP,
định dạng datagram và khái niệm về độ tin cậy,
phát chuyển phi kết nối (connectionless)... IP
mô tả một cách chính thức định dạng của các
gói dữ liệu, gọi là datagram, và chuẩn bị việc
phát chuyển. IP sử dụng các thông tin để
chuyển dữ liệu đi, quyết định nơi nào gửi dữ
liệu đến dựa vào địa chỉ IP đích của nó.
Địa chỉ IP: Tất cả RTU đều sử dụng địa chỉ IP
chuẩn bản 4 số. Địa chỉ IP là địa chỉ logic được
gán cho 1 máy trên mạng riêng. Mỗi máy trên
mạng TCP/IP đã được gán một địa chỉ IP để
cho nó có thể truyền với các máy khác. Trong
dạng vật lí thì địa chỉ IP là số binary 32 bit.
Tuy nhiên ở mức người sử dụng, địa chỉ IP hầu
như luôn luôn biểu diễn trong dạng dễ đọc hơn
gọi là số thập phân có chấm. Ví dụ 10.10.3.100

là địa chỉ IP được viết trong dạng thập phân có
chấm. Các chấm ở đây là các chấm thập phân,
phục vụ ranh giới ảo của 4 byte tạo ra giá trị
binary 32 bit. 4 byte đã được biểu diễn dưới
dạng thập phân.
Khi xuất xưởng mỗi RTU đều được gán 1 địa
chỉ IP mặc định. Ví dụ RTU1 có địa chỉ IP là
10.10.3.1 với tên là RTU1, RTU2 có địa chỉ IP
là 10.10.3.2 với tên là RTU2. Khi xây dựng
mạng, người sử dụng có thể đặt lại IP này
trong chương trình EVIEW qua mạng Ethernet,
sao cho mỗi RTU có 1 địa chỉ khác nhau.
Ví dụ: Hệ thống đo và kiểm tra môi trường tự động
có 1 RTU và 1 EVIEW như sau:

HUB
EVIEW
IP: 10.10.3.33
Cáp dây xoắn đôi
RTU1
IP: 10.10.3.1

1- 30 ®iÓm/1200m
RS-232
RS485
1
THDP-1
. . .
Đầu
đo
tiếng
ồn
. . .
4rơ le:
~220V

4
3.

MÁY TÍNH CHỦ VỚI CHƯƠNG TRÌNH
EVIEW

* Hệ thống có thể nhận được 4 máy tính
chủ trên mạng để cài chương trình EVIEW.
Cấu hình của máy tính cần có:
- Pentium2 hoặc tương đương trở lên.
- RAM 64 Mb trở lên
- Trên đĩa cứng 20Gb
- Hệ điều hành Win98 trở lên
- Windows với giao thức TCP/IP
- Card mạng khởi tạo trong
- Ổ đĩa mềm 1.44MB
- Màn hình 16bit TrueColor 15” 800x600
- Card mạng Ethernet 10-100 Mbit/s
Sound Card & bộ

loa phát âm thanh.
Chương trình EVIEW
Chương trình có các chức năng chính sau:
Chương trình EVIEW quản lý hệ thống đo qua
mạng Ethernet tối đa được 32 thiết bị RTU theo
dạng file dự án (Project file) với hai chế độ làm
việc:
- Edit Mode : cho phép soạn thảo file dự án và có
thể trong thời gian thực.
- Run Mode : không cho phép soạn thảo file dự án
và có thể chạy trong thời gian thực.

Một file dự án quản lý hệ thống đo qua mạng
Ethernet bao gồm những phần sau:
- Hardware Configuration : thiết lập cấu hình

phần cứng từng thiết bị RTU trong mạng.
- Data Logging: thiết lập chế độ lưu dữ liệu
từng điểm đo
- Graphic Designer : soạn thảo các màn hình
đồ hoạ?
- Alarm System : chế độ báo động hệ thống
- Data Monitoring : giám sát số liệu các điểm
đo
- Security System : Bảo mật hệ thống.

Sau khi hoàn thành soạn thảo một file dự án, có thể
chạy file dự án trong thời gian thực (Runtime)
Giao diện cửa sổ soạn thảo file dự án:

5
Giao diện màn hình chạy thời gian thực

Trong chế độ chạy thời gian thực, có thể giám sát
số liệu tức thời, báo động hệ thống, báo cáo số liệu
theo ngày/tháng/năm, bản báo cáo báo động hệ
thống.

4. THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI ĐO XA RTU1

Thiết bị đầu cuối đo xa RTU1 được chế tạo trên cơ
sở công nghệ nhúng PC/104.

Phần cứng của RTU1
+ PC/104 Pentium 2, 300MHz
32Mb RAM, 64Mb FLASH
+ Card mạng Realtek 8139
+ Card Rơle AX10455
+ Connector RJ45 - cáp dây xoắn đôi
+ Đầu đo tiếng ồn Datalogging Sound Level Meter
- Model 407764
+ Đầu đo nhiệt độ và độ ẩm THDP-1.

Phần mềm của RTU1
+ Hệ điều hành DOS6.2
+ Chương trình đọc các giá trị:
. Tiếng ồn từ đầu đo tiếng ồn (Datalogging Sound
level Meter - Model 407764), qua cổng COM1.
. Nhiệt độ và độ ẩm từ đầu đo nhiệt độ và độ ẩm
THDP-1, qua cổng COM2.
+ Ngôn ngữ lập trình C, C++
+ Chương trình tạo môi trường theo chuẩn của giao
thức TCP/IP trên DOS, có các lệnh chính để
truyền trên mạng Ethernet sau:
- Nhận tên và địa chỉ IP của PC/EVIEW
- Nhận tên và địa chỉ IP của RTU1 do EVIEW
đặt lại
- Nhận thời gian do EVIEW gửi để đồng bộ
lại thời gian
- Nhận tệp ứng dụng mới, được nạp lại từ
EVIEW và cho chạy tệp này.
- Gửi số liệu thời gian thực theo yêu cầu của

EVIEW.
- Gửi toàn bộ số liệu lưu trên đĩa theo yêu cầu
của EVIEW
+ Có thư viện trợ giúp người sử dụng
- Lưu số liệu lên đĩa cứng theo một khoảng
thời gian đặt trước.
- Lọc bậc 1 theo tỷ lệ mong muốn.
1- 30 ®iÓm/1200m
RS-232
RS485
1
THDP-1
. . .
Đầu
đo
tiếng
ồn
. . .
4rơ le:
~220V
30