Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo áp suất cột chống đơn và bộ điều khiển pha trộn dung dịch nhũ hóa dùng cho trạm bơm thủy lực trong khai thác than hầm lò

Qua khảo sát các đơn vị khai thác than hầm lò có thể thấy những nhu cầu cấp thiết tại các lò khai thác than về việc: • Sử dụng máy đo áp lực hiển thị số có độ chính xác cao, dễ đọc và bề

BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ TIN HỌC TỰ ĐỘNG HÓA

- -

BÁO CÁO KHOA HỌC

ĐỀ TÀI NCKH&PTCN CẤP BỘ BỔ SUNGNĂM 2011

Tên đề tài:

“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐO ÁP SUẤT CỘT CHỐNG ĐƠN VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHA TRỘN DUNG DỊCH NHŨ HOÁ DÙNG CHO TRẠM BƠM THUỶ LỰC TRONG

KHAI THÁC THAN HẦM LÒ”

HÀ NỘI - 06/2012

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 2

BẢNG CÁC THUẬT NGỮ VIÉT TẮT 2

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 3

1.1 Sự cần thiết của đề tài 3

1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng 4

1.3 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu của đề tài 8

1.4 Nội dung của đề tài 8

Chương 2: THIẾT KẾ CHẾ TẠO ÁP KẾ SỐ 9

2.1 Thiết kế tổng thể sản phẩm đề tài 9

2.1.1 Tìm hiểu cấu trúc, tính năng các sản phẩm đang có trên thị trường 9

2.1.2 Thiết kế tính năng cho áp kế số của đề tài 10

2.2 Thiết kế phần cứng áp kế số DMM1 11

2.2.1 Các vấn đề kỹ thuật, công nghệ cần giải quyết .11

2.2.2 Sơ đồ chức năng áp kế số DMM1 .12

2.2.2 Tính năng kỹ thuật 19

Chương 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO 21

HỆ THỐNG PHỐI TRỘN DUNG DỊCH NHŨ HOÁ 21

3.1 Thiết kế tổng thể 21

a Xây dựng các tính năng cơ bản của Bộ điều khiển 22

b Sơ đồ khối bộ điều khiển 22

c Các thông số kỹ thuật cơ bản 23

3.2 Thiết kế phần cứng Bộ điều khiển 24

a Nguyên tắc thiết kế chế tạo 24

b Lựa chọn linh kiện và thiết kế từng khối 24

c Các vấn đề kỹ thuật, công nghệ cần giải quyết 29

3.3 Thiết kế phần mềm Bộ điều khiển 31

a Thiết kế cấu trúc phần mềm nhúng 31

b Thiết kế phần mềm cho module Calculate & Control 32

c Thiết kế phần mềm cho module Display 32

d Thiết kế giao thức truyền thông 34

3.4 Hiệu chỉnh mạch đo lường tín hiệu cân và mạch đo nhiệt độ 35

3.5 Lựa chọn thiết bị vào/ra 36

3.6 Thiết kế chế tạo khối công suất điều khiển đầu ra 37

3.7 Sơ đồ đấu nối hệ thống 39

3.8 Thiết kế chế tạo cụm cấu kiện cơ khí 39

Chương 4: THỬ NGHIỆM 40

4.1 Thử nghiệm áp kế số DMM1 40

4.2 Thử nghiệm hệ thống PTTĐ 41

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

PHỤ LỤC 49

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1: Sản phẩm của các hãng 5 

Hình 2: Sơ đồ hệ thống định lượng pha trộn dung dịch trong trạm bơm 6 

Hình 3: Sơ đồ cấu trúc áp kế số 9 

Hình 4: Sơ đồ khối chức năng áp kế số 12 

Hình 5: Khối bảo vệ nguồn cấp 13 

Hình 6: Khối giám sát nguồn pin 14 

Hình 7: Khối đo lường 14 

Hình 8: Khối điều khiển LCD 17 

Hình 9: Dòng tiêu thụ trong các chế độ khác nhau của chip CPU 18 

Hình 10: Hình ảnh áp kế số DMM1 19 

Hình 11: Sơ đồ khối bộ điều khiển PTTĐ 23 

Hình 12: Sơ đồ khối IC INA125 25 

Hình 13: Module nguồn cách ly CC3-1205SF-E của TDK-Lambda 26 

Hình 14: Module nguồn cách ly CC3-1212DF-E của TDK-Lambda 27 

Hình 15: Mạch Bảo vệ đầu vào cấp nguồn 27 

Hình 16: Mạch cách ly vào ra tín hiệu 28 

Hình 17: Sơ đồ chân PIC18F4553 29 

Hình 18: Sơ đồ chân Atmega644A 29 

Hình 19: Lưu đồ trạng thái chương trình 31 

Hình 20: Lưu đồ thuật toán quá trình thu thập dữ liệu 32 

Hình 21: Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển PTTĐ 33 

Hình 22: Lưu đồ thuật toán chương trình trên module Display 33 

Hình 23: Chu kỳ vòng quét truy vấn dữ liệu 34 

Hình 24: Sơ đồ nguyên lý khối công suất 38 

Hình 25: Sơ đồ đấu nối hệ thống PTTĐ 39 

BẢNG CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

LCD – Liquid Crystal Display

PTTĐ – Pha trộn tự động

DMM – Digital manometer

AFC – Auto Feeding Control

PC – Power Control

CPU – Central Processing Unit

TVS – Transient Voltage Suppesion

IEC – International Electrotechnical Commission

TCVN – Tiêu chuẩn Việt Nam

ADC – Analog to Digital Conveter

RAM – Random Access Memory

Ch ng 1: T NG QUAN V  Đ  TÀI 

1.1 Sự cần thiết của đề tài

Hiện nay VINACOMIN có khoảng 30 đơn vị thành viên khai thác than hầm lò Trong mỗi lò chợ, với cự ly quy định là 80cm giữa các cột chống đơn, số cột chống đơn trong mỗi lò là vài trăm tới hàng ngàn cột Ngoài ra xu thế hiện nay là đưa vào sử dụng ngày một nhiều các cột chống giàn Như vậy việc thường xuyên kiểm tra áp lực các cột chống để đảm bảo an toàn là công tác khá phức tạp Để kiểm tra áp lực cột chống, hiện đang sử dụng tại các lò là máy đo cơ chỉ thị kim (đều do Trung quốc sản xuất) không chính xác, máy đo thường hay bị hỏng dẫn đến tình trạng áp lực các cột chống không đồng đều, làm giảm độ an toàn của hệ thống cột chống

Dung dịch sử dụng cho cột chống là dung dịch nhũ hoá có thành phần bao gồm nước và dầu M10 (H2O + M10) trong đó tỷ lệ dầu M10 chiếm tỷ lệ khoản 4% Áp suất dung dịch trong cột chống là khoảng 7MPa Hiện nay tại các lò đều sử dụng các trạm bơm thủ công hoàn toàn dẫn tới chất lượng dung dịch không đảm bảo vì pha trộn thủ công và dùng bộ đo hàm lượng dầu trong dung dịch có độ chính xác thấp với giá trị đọc phụ thuộc rất nhiều vào chủ quan và kinh nghiệm của người vận hành Ngoài

ra các yếu tố chủ quan khác của người vận hành cũng có thể ảnh hưởng tới sự ổn định của trạm bơm

Qua khảo sát các đơn vị khai thác than hầm lò có thể thấy những nhu cầu cấp thiết tại các lò khai thác than về việc:

• Sử dụng máy đo áp lực hiển thị số có độ chính xác cao, dễ đọc và bền để thay thế cho đồng hồ kim

• Sử dụng hệ thống pha trộn tự động dung dịch nhũ hoá tại các trạm bơm áp lực cung cấp dung dịch cho cột chống lò để đảm bảo chất lượng dung dịch ổn định, nâng cao tuổi thọ cột chống và nâng cao độ an toàn cho sản xuất

Việc sử dụng các thiết bị trên phù hợp với xu thế hiện đại hoá sản xuất ngành khai thác than để nâng cao hiệu quả sản xuất cũng như nâng cao độ an toàn cho con người và cho máy móc thiết bị

• Máy đo áp lực hiển thị số an toàn tia lửa dùng đo áp lực cột chống đơn trong lò chợ mỏ than hầm lò

• Bộ điều khiển định lượng tự động dung dịch nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong mỏ than hầm lò

A Máy đo áp lực

Trước đây khi công nghệ mạch tích hợp chưa phát triển, Máy đo áp lực hiển thị

số đạt tiêu chuẩn an toàn tia lửa có giá thành khá cao nên trong hầm lò hầu hết sử dụng máy đo cơ chỉ thị kim Ưu điểm của máy đo cơ là giá thành hạ và tính an toàn tia lửa tự nhiên của nó (không có các phần tử có khả năng gây tia lửa) Nhược điểm của loại máy này là độ chính xác không cao, và hầu hết máy đo dùng tại các mỏ ở Việt nam là máy do Trung quốc chế tạo nên tuổi thọ ngắn

Hiện nay công nghệ điện tử đã cho phép chế tạo máy đo áp lực hiển thị số đạt tiêu chuẩn an toàn tia lửa để sử dụng trong hầm lò với giá thành hợp lý, độ bền, độ ổn định và độ chính xác cao, lại cho phép đọc dễ dàng không chỉ các thông tin hiện tại

mà cả các thông tin trong quá khứ (như giá trị áp lực lớn nhất/nhỏ nhất đã đo được) qua đó có thể đánh giá về chất lượng cột chống làm cơ sở cho công tác bảo trì bảo dưỡng Là một máy đo số sử dụng mạch vi xử lý nên các hãng chế tạo tích hợp nhiều tính năng hiện đại bên cạnh chức năng chính (đo/hiển thị) như cảnh báo ngưỡng, kết nối mạng truyền thông cho phép giám sát từ xa v.v Máy đo áp lực hiển thị số hiện nay

đã được sử dụng rộng rãi trong khai thác than hầm lò ở các nước phát triển để giám sát áp lực Nhiều hãng lớn chuyên cung cấp máy đo áp lực hiển thị số như GE Druck (Anh quốc); KELLER (Thụy sỹ); AST Americal Sensor Tech; Ashcroft (USA); Crystal Engineering Sau đây là một số hình ảnh về sản phẩm loại này của các hãng

Hình 1: Sản phẩm của các hãng

Nhìn chung máy đo của các hãng trên có các đặc điểm (tổng hợp) sau:

Dải đo rộng, từ vài bar đến hàng ngàn bar

• Lưu giá trị đỉnh (Min, Max)

• Có thể đặt ngưỡng và đầu ra cảnh báo (như một Pressure Switch)

• Có lối ra RS485 cho phép nối mạng công nghiệp

• Có thể thay đổi đơn vị đo

• Hiển thị bằng LCD

• Sử dụng nguồn pin dạng đồng xu

• Có phiên bản đạt chuẩn an toàn tia lửa

Trong các đặc điểm trên, vấn đề kéo dài thời gian sử dụng pin (loại pin nhỏ, dạng đồng xu) và vấn đề đạt chuẩn an toàn tia lửa là những vấn đề kỹ thuật và công

nghệ khó

B Bộ điều khiển định lượng tự động dung dịch nhũ hoá

Như đã trình bày, hàm lượng dầu trong dung dịch có vai trò quan trọng đối với độ bền của cột chống và độ an toàn của lò, vì vậy việc pha trộn dung dịch phải được kiểm soát chặt chẽ bằng một hệ thống pha trộn tự động (PTTĐ), đặt ngay tại trạm bơm dung dịch như trên hình 1.2

Khảo sát thực tế cho thấy hoạt động của trạm bơm được tiến hành như sau:

• Bể dung dịch luôn phải được chuẩn bị sẵn sàng và đảm bảo hàm lượng dầu M10 là khoảng 4% (sai số cho phép là ±1%) Dung tích của bể chứa dung dịch khoảng 600 lít, khi mức trong bể giảm xuống dưới 400 lít thì lại được trộn thêm cho đầy, mỗi lần trộn khoảng 200 lít

• Khi cần đặt các cột chống mới hoặc bơm thêm dung dịch từ bình trữ năng vào các cột chống cũ cho đủ áp lực, người thợ sẽ kéo ống bơm tới và bơm dung dịch vào cột qua van ba tác dụng Trong quá trình bơm, áp lực dung dịch trong bình trữ năng sẽ giảm dần

• Khi áp lực trong bình trữ năng giảm thì máy bơm hoạt động để bơm dung dịch

từ bể chứa sang bình trữ năng và duy trì áp lực khoảng 70bar Van tự mở VTM được đặt để hoạt động khi áp lực vượt quá ngưỡng trên, khi đó dung dịch sẽ chảy tuần hoàn về bẻ chứa Luôn có một bơm chính và một bơm dự phòng để đảm bảo tính sẵn sàng cao của trạm bơm

• Khi nhiệt độ dung dịch cao hơn 50 độ C thì không được bật máy bơm để đảm bảo an toàn cho hệ thống

Hệ thống điều khiển định lượng tự động có nhiệm vụ đảm bảo cho bể chứa dung dịch luôn sẵn sàng Nước và dầu được cấp sẵn vào các si lô cân treo trên các loadcell LC1 và LC2, dung tích của mỗi si lô phải chứa được cho ít nhất một mẻ trộn tức là khoảng 150-200 lít nước và 10 lít dầu Khi cần pha trộn một mẻ, dầu M10 và nước được định lượng theo định mức khối lượng đặt trước của mỗi thành phần bằng cách

mở van tương ứng (VD, VN) dưới mỗi si lô và căn cứ vào lượng giảm từ các tín hiệu cân mà quyết định đóng van lại Quy trình hoạt động của hệ thống định lượng sẽ được trình bày chi tiết trong phần thiết kế Ở đây có hai vấn đề cần được làm rõ như sau:

• Vấn đề thứ nhất là: từ bài toán đảm bảo hàm lượng dầu trong dung dịch tức là đảm bảo tỷ lệ nhất định về quan hệ thể tích, chuyển thành bài toán định lượng theo khối lượng tức là đảm bảo tỷ lệ về quan hệ khối lượng Phép chuyển đổi này là chấp nhận được vì giả thiết tỷ trọng của dầu M10 bằng tỷ trọng của nước gây ra sai số không đáng kể, trong khi phạm vi cho phép về sai số theo hàm lượng dầu trong dung dịch là ±1%

• Vấn đề thứ hai là: vòng điều khiển ở đây là điều khiển vòng hở vì không có thông tin phản hồi về hàm lượng dầu trong dung dịch, là đối tượng cần điểu khiển Giải pháp điều khiển này là chấp nhận được vì nước sử dụng là nước đã được lọc sạch các tạp chất và dầu M10 có chất lượng ổn định Như vậy sai số gây ra là sai số của việc cân nước và cân dầu Nếu hai sai số này đủ nhỏ và hệ thống đạt độ ổn định cao thì có thể tính ra được sai số về hàm lượng dầu Giải pháp sử dụng cân điện tử hoàn toàn cho phép đạt được độ chính xác định lượng khá cao và dễ dàng đạt được yêu cầu về sai số công nghệ là ±1%

Hệ thống định lượng như trên có thể ứng dụng cho các trạm bơm hiện có đang làm thủ công Với các trạm bơm mới, ngoài chức năng giám sát và định lượng hoà trộn dung dịch như trên, bộ điều khiển còn có thể thực hiện tự động hoàn toàn việc điều khiển cấp nước/dầu cũng như liên động với việc bật/tắt máy bơm áp lực; bật luôn phiên giữa bơm chính và bơm dự phòng, giám sát áp lực bình trữ năng để dừng bơm nhằm tiết kiệm điện và kéo dài tuổi thọ máy bơm Nói tóm lại là trạm bơm áp lực được tự động hoá hoàn toàn, và bộ điều khiển có thể kết nối mạng truyền thông với trung tâm giám sát toàn mỏ

Tại Việt Nam hiện chưa có đơn vị nào nghiên cứu và chế tạo thành công máy

đo áp lực số và hệ thống pha trộn tự động dung dịch nhũ hóa cho trạm bơm thủy lực

mặc dù việc hiện đại hóa ngành công nghiệp khai thác than hầm lò đặt ra nhu cầu sử dụng cấp thiết các sản phẩm này

1.3 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu của đề tài

Đề tài nhằm thực hiện các mục tiêu sau:

• Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy đo áp suất hiển thị số thay thế máy đo

cơ dùng đo áp lực cột chống đơn trong lò chợ mỏ than hầm lò

• Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ điều khiển định lượng tự động dung dịch nhũ hoá dùng cho trạm bơm thuỷ lực trong mỏ than hầm lò

Phương pháp nghiên cứu

• Tham khảo máy mẫu trong quá trình thiết kế chế tạo và thử nghiệm

• Kiểm tra, mô phỏng các thiết kế cả phần cứng và phần mềm trên các công cụ mô phỏng để đưa ra được thiết kế tối ưu trước khi thực hiện

• Sau khi đã có sản phẩm mẫu sẽ đưa đi ứng dụng thực tế để kiểm tra đánh giá tính năng của sản phẩm và hoàn thiện thiết kế

1.4 Nội dung của đề tài

Các chương tiếp theo của báo cáo trình bày các nội dung mà đề tài đã thực hiện gồm:

• Thiết kế, chế tạo máy đo áp suất hiển thị số (gọi tắt là áp kế số)

• Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển pha trộn tự động dung dịch cho trạm bơm thuỷ lực

• Thử nghiệm SP trong phòng TN, thử nghiệm, hiệu chỉnh & hoàn thiện thiết kế

• Lắp đặt tại hiện trường, chạy không tải, chạy có tải, đánh giá, hoàn thiện

SP

• Viết báo cáo tổng kết KHKT

Chương 2: THIẾT KẾ CHẾ TẠO ÁP KẾ SỐ

2.1 Thiết kế tổng thể sản phẩm đề tài

2.1.1 Tìm hiểu cấu trúc, tính năng các sản phẩm đang có trên thị trường

Các áp kế số dùng nguồn pin có cấu trúc cơ bản như sau:

Hình 3: Sơ đồ cấu trúc áp kế số

Cấu trúc cơ bản trên cho phép thực hiện các chức năng cơ bản của một máy đo

là đo lường/hiển thị Ngoài ra với tính năng mạnh của mạch tích hợp hiện nay, các hãng chế tạo đều đưa thêm các tính năng khác làm cho máy đo áp lực trở nên hiện đại, chính xác và thông minh sau (như đã liệt kê trong phần 1.2.A):

a) Lưu giá trị đỉnh (Min, Max)

b) Có lối ra cảnh báo (như một Pressure Switch) khi áp suất vượt ngưỡng cao/thấp

c) Có lối ra số RS485 cho phép nối mạng công nghiệp

d) Có lối ra dòng 4-20mA cho phép kết nối từ xa với trung tâm đo lường/giám sát

e) Có thể thay đổi đơn vị đo Bar, MPa, PSI, At

f) Hiển thị bằng LCD

g) Sử dụng nguồn pin không sạc (coin battery), có thể tự giám sát nguồn pin

và cảnh báo/tự tắt khi pin yếu

h) Có phiên bản đạt chuẩn an toàn tia lửa

Trong các đặc điểm trên, vấn đề giảm thiểu tối đa dòng tiêu thụ từ pin để kéo

dài thời gian sử dụng pin và vấn đề thiết kế để thiết bị đạt chuẩn an toàn tia lửa là

những vấn đề kỹ thuật và công nghệ khó

2.1.2 Thiết kế tính năng cho áp kế số của đề tài

Đối với sản phẩm áp kế số của đề tài, được đặt tên là DMM1 (Digital ManoMeter 1), do yêu cầu sử dụng là đo áp suất các cột chống với tính chất đo lưu động, không đòi hỏi kết nối mạng nên sản phẩm này sẽ có các tính năng sau:

a) Đo và hiển thị áp suất dung dịch nhũ hóa, dải đo đến 500bar (theo yêu cầu của ngành khai thác hầm lò)

b) Lưu giá trị đỉnh (Min, Max)

c) Có thể thay đổi đơn vị đo Bar, MPa, PSI, At, kg/cm2

d) Hiển thị bằng LCD Theo đặc tính kỹ thuật của máy đo DMM1 đăng ký trong Thuyết minh Đề tài thì thiết bị hiển thị là LED để dễ nhìn trong bóng tối Qua nghiên cứu khảo sát thì thấy người kiểm tra áp lực cột chống luôn phải dùng đèn lò nên vấn đề hiển thị rõ trong bóng tối không phải là đặc tính ưu tiên của máy đo, trong khi đó vấn đề tiết kiệm dňng tięu thị với nguồn pin điện áp thấp lại trở thành đặc tính phải có của máy đo Vì vậy phương án hiển thị được thay đổi từ LED sang LCD

e) Sử dụng nguồn pin Lithium 3VDC dạng đồng xu (Coin Battery), có thể tự giám sát nguồn pin và cảnh báo/tự tắt khi pin yếu Đây cũng là đặc tính về nguồn cấp có sự thay đổi so với Thuyết minh Đề tài Trong Thuyết minh

Đề tài, nguồn cấp là pin sạc không phù hợp với yêu cầu sử dụng của máy

đo DMM1 Khi đã đạt được mục tiêu giảm thiểu dòng tiêu thụ thì hoàn toàn có thể sử dụng nguồn pin không sạc lại

f) Đạt chuẩn an toàn tia lửa theo TCVN-7079 để có thể sử dụng trong hầm lò khai thác than có chứa khí mê tan

Để mở rộng khả năng ứng dụng và tạo ra các sản phẩm khác với khả năng kết nối (ví dụ khi dùng như một máy đo cố định được nối mạng), khi thiết kế sản phẩm áp

kế số của đề tài cũng phải tính đến khả năng phát triển mở rộng thêm các tính năng:

a) Có lối ra cảnh báo (như một Pressure Switch) khi áp suất vượt ngưỡng cao/thấp

b) Có lối ra truyền số liệu RS485 cho phép nối mạng công nghiệp

c) Có lối ra dòng 4-20mA cho phép kết nối từ xa với trung tâm đo lường/giám sát

2.2 Thiết kế phần cứng áp kế số DMM1

2.2.1 Các vấn đề kỹ thuật, công nghệ cần giải quyết

Trong các tính năng kể trên, các tính năng a, b, c, d thuộc về vấn đề đo lường/hiển thị thông thường, không phải là vấn đề khó Các vấn đề khó cần giải quyết khi thiết kế DMM1 là:

• Máy phải có kết cấu nhỏ gọn, nhẹ nhàng chắc chắn -> tất cả linh kiện là loại dán, công suất thấp để mạch in nhỏ gọn

• Giảm tối đa dòng tiêu thụ từ pin để kéo dài thời gian sử dụng pin Pin được

sử dụng là loại pin lithium 3VDC dạng đồng xu dùng một lần với trữ năng khoảng vài trăm mAh Như vậy nếu dòng tiêu thụ của máy khoảng 10mA thì sẽ phải thay pin sau vài chục giờ làm việc, điều này không phù hợp với điều kiện làm việc tại công trường khai thác.Yêu cầu của đề tài lại phải giảm dòng tiêu thụ tổng từ pin xuống chỉ còn khoản 1mA Giải pháp để đạt yêu cầu này là|:

o Tiêu chí lựa chọn linh kiện là loại điện áp thấp khoảng 2-2,5VDC, dòng tiêu thụ cực thấp chỉ khoảng vài chục µA cho các mạch ngoại

vi ( khuyếch đại, truyền thông, hiển thị ) và vài trăm µA cho mạch

Vi xử lý trung tâm CPU

o Mạch CPU phải là loại phù hợp với dạng thiết bị đo với tần suất cập nhật thấp (khoảng 2 lần/s), chỉ làm việc khi cần và thường xuyên trong trạng thái “standby” hoặc “sleep” để giảm thiểu dòng điện tiêu thụ xuống mức thấp nhất

o Các mạch ngoại vi chỉ được cấp nguồn khi cần dùng đến Lựa chọn những mạch có dòng tiêu thụ cực thấp khi không được chọn (có chân SELECT) hoặc có chế độ SHUTDOWN

o Để đảm bảo tình trạng máy luôn tốt khi sử dụng, tránh tình trạng hết pin tại hiện trường (trong lò chợ, không thể thay pin), máy đo cần có cảnh báo sớm khi pin yếu và cho phép duy trì hoạt động trong vòng

1 ca làm việc (8 giờ) để kịp thay pin khi đưa về trụ sở công ty Nếu

pin quá yếu thì không cho phép làm việc để tránh việc đo/hiển thị sai

• Vấn đề thiết kế để thiết bị đạt chuẩn an toàn tia lửatheo TCVN-7079, phần

11 “An toàn tia lửa – dạng bảo vệ “i”, đòi hỏi phải lưu ý khi thực hiện các công việc sau:

o Thiết kế sơ đồ nguyên lý cần lưu ý các mạch cấp nguồn, các lối vào

ra Các linh kiện cần lựa chọn sao cho có dòng tiêu thụ thấp nhất, công suất tiêu thụ ít nhất (đã được đề cập ở trên)

o Thiết kế mạch in cần lưu ý các quy định về kích thước và khoảng cách các đường tín hiệu, đường nguồn

o Thiết kế chế tạo vỏ máy phải lưu ý về kết cấu, vật liệu, độ dầy, độ kín v.v

Với tất cả các giải pháp và các lưu ý trên, Đề tài đã tiến hành tìm hiểu, lựa chọn các linh kiện phù hợp nhất để xây dựng mạch phần cứng của máy đo trong phần tiếp theo

2.2.2 Sơ đồ chức năng áp kế số DMM1

Hình 2.2 trình bày sơ đồ khối chức năng của áp kế số DMM1với các tính năng

đã được thiết kế trong mục 2.1.2

Hình 4: Sơ đồ khối chức năng áp kế số

Áp kế số DMM1 có cấu trúc gồm các khối chức năng sau:

• Khối bảo vệ nguồn cấp(Surge Protector)

Khối này đặt ngay lối vào đấu với nguồn pin, có nhiệm vụ bảo vệ mạch điện phía sau không bị ảnh hưởng bởi điện áp cao hoặc các xung điện áp đi vào theo theo jắc nguồn Đây là khối bắt buộc phải có theo TCVN-7079 Sơ đồ nguyên lý của khối này được trình bày trên hình 2.3 Diode Zener DZ1là loại TVS (Transient Voltage Suppresion) với thời gian tác động cực nhanh (cỡ pico giây) sẽ cắt tất cả các xung điện áp do phóng điện tĩnh ESD đi vào từ jắc nguồn pin Sau đây là các thông số kỹ thuật cơ bản của TVS Zener uClamp0501H của hãng SEMTEC [1]:

o Đáp ứng IEC61000-4-2(ESD) 15kV(không khí), 8kV(tiếp xúc trực tiếp)

R1

V+

V-Hình 5: Khối bảo vệ nguồn cấp

• Khối giám sát nguồn pin

Như đã nêu trong mục 2.2.1 , để đảm bảo tình trạng máy luôn tốt khi sử dụng, tránh tình trạng hết pin tại hiện trường (trong lò chợ, không thể thay pin), máy đo cần

có cảnh báo sớm khi pin yếu và cho phép duy trì hoạt động trong vòng 1 ca làm việc

để kịp thay pin khi đưa về trụ sở công ty Nếu pin quá yếu thì không cho phép làm việc để tránh việc đo/hiển thị sai Như vậy việc giám sát nguồn pin có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính tin cậy của máy đo Nhiệm vụ này do khối giám sát nguồn pin thực hiện với sơ đồ thể hiện trên hình 2.4

ADC > Phát hiện Pin yếu > Đ−a ra cảnh báo màn hình

CPU > Phát hiện Pin yếu không đủ làm việc > Tắt CPU

Hỡnh 6: Khối giỏm sỏt nguồn pin

Ở đõy nguồn V+ luụn được đo bằng một kờnh ADC và đưa ra cảnh bỏo pin yếu trờn màn LCD Ngưỡng cảnh bỏo cần tớnh toỏn để mỏy đo vẫn tiếp tục làm việc ổn định khoảng vài giờ cho đến khi thay pin mới Khi V+ đó xuống tới mức khụng tạo được điện ỏp ổn định cho khối đo lường thỡ mạch Voltage-Detector sẽ kớch hoạt ngắt NMI và CPU sẽ dừng toàn bộ hoạt động để trỏnh gõy sai sút trong số liệu đo Ở đõy mạch Voltage-Detector được chọn là loại dũng thấp, chỉ khoảng 1àA

• Khối đo lường

Khối này đảm nhận nhiệm vụ đo giỏ trị ỏp suất tỏc động lờn đầu đo Sơ đồ nguyờn lý được trỡnh bày trờn hỡnh 2.5 Để đỏp ứng yờu cầu giảm thiểu dũng tiờu thụ đến tối đa, cỏc biện phỏp sau đó được thực hiện:

2 3

1 A

U2A R8

R4

I

ADC > Giá trị áp suất

Uref Cấp nguồn đo Cấp dòng đo

CPU

Đầu đo

áp suất

Mạch đo

Hỡnh 7: Khối đo lường

o Đầu đo ỏp lực là loại cầu Piezo-Resistive với trở khỏng vào khoảng 4kΩ, nuụi bằng nguồn dũng 0.1-1mA, độ nhạy 200mV với dũng nuụi 1mA cho toàn dải đo của hóng SENSOR-ONE (UK) Đõy là loại đầu đo OEM cho ra tớn hiệu thụ trực tiếp từ cầu điện trở, rất phự

hợp với mạch dùng nguồn pin Các loại đầu đo áp suất đã được xử lý tín hiệu với đầu ra 4-20mA hoặc 0-5VDC đều đòi hỏi nguồn nuôi tối thiểu 9VDC.Như vậy ta có thể cấp dòng nhỏ, chừng 0.4mA là đã có đầu ra 80mV ứng với toàn dải đo, qua khuyếch đại khoảng 25 lần (1 tầng khuyếch đại) để đưa ra 2VDC là phù hợp cho mạch ADC với điện áp chuẩn 2.5VDC Như vậy có thể thấy dòng cấp cho đầu đo có giá trị khá lớn và là phần khá lớn trong dòng tiêu thụ tổng cộng là khoảng 1mA cho cả máy đo

Bảng thông số kỹ thuật của đầu đo do hãng SENSOR-ONE (UK) chế tạo:

o Theo nguyên tắc đã đưa ra trong mục 2.2.1 là chỉ cấp nguồn cho khối đo lường khi cần để giảm thiểu dòng tiêu thụ trung bình của cả máy Như vậy nguồn dòng cho đầu đo và nguồn áp cho mạch khuyếch đại thuật toán cũng như mạch tạo điện áp chuẩn (Uref) đều

bị “khóa” khi không dùng đến, khi đó chỉ còn vài µA dòng rò qua các “khóa” Tần suất sử dụng của khối đo lường chỉ là 2 lần/giây trong chế độ đo thông thường nên dòng tiêu thụ trung bình của cả máy đo sẽ giảm đi rất nhiều Ví dụ thời gian đo là 50ms thì dòng trung bình của mạch đo chỉ còn 1/10 so với dòng làm việc của mạch

• Màn hiển thị LCD và Khối điều khiển LCD

Sử dụng phương án hiển thị bằng LCD để giảm thiểu dòng tiêu thụ Đối với máy đo DMM1, mô đun LCD phải đáp ứng các yêu cầu sau:

9 Hiển thị được giá trị hiện tại và giá trị đỉnh (Min, Max) đã đo được,

9 Hiển thị đơn vị đo tùy chọn theo thói quen của người sử dụng (áp suất là đại lượng vật lý có nhiều đơn vị đo : Bar, MPa, Psi, At, kg/cm2)

9 Hiển thị được các chế độ làm việc khác nhau: SetMode, đo nhanh, đo chậm

9 Nhỏ gọn, phù hợp với nguồn pin 3VDC

Có thể dùng các LCD ma trận điểm thông thường với khả năng hiển thị đồ họa linh hoạt, nhưng những LCD này có kích thước lớn làm cho kích thước cả máy đo lớn lên Mặt khác những LCD này là loại tích hợp sẵn vi mạch điều khiển sử dụng nguồn 5VDC với dòng tiêu thụ khá lớn (hàng mA) không phù hợp với nguồn pin 3VDC Đề tài đã chọn loại LCD chuyên dụng cho máy đo, hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu đã nói trên và hiển thị theo nguyên tắc quét hàng 4 hàng x 21 segment với các segment được

bố trí thành mặt LCD như sau:

Khi đó việc điều khiển mô đun LCD này sẽ được thực hiện bằng khối điều khiển chuyên dụng Khối này liên kết với vùng LCD RAM (do CPU cập nhật), giải

mã dữ liệu thành mã hiển thị theo segment cho mỗi dòng và đưa ra điều khiển dòng tương ứng Khi không làm việc (chế độ Stand-by), nguồn cấp cho khối này cũng được ngắt để tiết kiệm dòng tiêu thụ Khối này có thể do một chip IC chuyên dụng thực hiện hoặc được tích hợp luôn vào thành một khối chức năng của CPU

V+

COM 0 COM 1 COM 2

Hình 8: Khối điều khiển LCD

• Khối CPU

Đối với các yêu cầu đặt ra cho một máy đo áp suất, vấn đề tốc độ đo và tính toán không đòi hỏi phải nhanh Khi cần giám sát một đại lượng áp suất đang thay đổi nhanh, ví dụ khi đang bơm dung dịch vào cột chống, tần suất đo có thể hàngkHz Nhưng khi đo một áp suất ổn định, ví dụ đo kiểm tra áp lực trong một cột chống, tần suất đo và cập nhật hiển thị chỉ là vài lần trên 1 giây (ví dụ 2 lần/giây) Tiêu chí đặt ra

để lựa chọn CPU là phù hợp với nguồn pin 3VDC và có dòng tiêu thụcàng thấp càng tốt CPU phải có nhiều chế độ “Low Power” để chỉ vào chế độ “Active” khi cần đo và

ngay sau khi đo xong thì vào vào chế độ “Low Power” để chỉ duy trì hiển thị LCD và quét phím Khi không làm việc, CPU ở chế độ “Off” với dòng tiêu thị chỉ vài µA Hình 2.7 là ví dụ về một chip CPU như vậy

Hình 9: Dòng tiêu thụ trong các chế độ khác nhau của chip CPU

• Bàn phím

Bàn phím của DMM1 gồm2 phím phục vụ quá trình cài đặt tham số hệ thống cũng như lựa chọnchế độ làm việc Phần này và phần LCD hiển thị được nói kĩ hơn ở tài liệu hướng dẫn sử dụng

• Khả năng mở rộng

Để đáp ứng khả năng mở rộng của máy đo với những tính năng khác như lối ra cảnh báo, truyền thông, lối ra dòng để nối với trung tâm đo lường từ xa nhằm mục đính phát triển các sản phẩm khác trên nền tảng máy đo DMM1, tất cả các I/O còn lại của CPU (có cả Analog và Digital) đều được đưa ra “jắc mở rộng” để dễ dàng kết nối với mô đun mở rộng để tạo ra một thiết bị khác tích hợp thêm với các chức năng như

đã kể trên

Trong bo mạch của máy đo DMM1có sẵn cổng truyền thông RS485/Modbus

để kết nối mạng với các thiết bị khác trong những hệ thu thập dữ liệu qua mạng truyền thông công nghiệp Chip RS485 cũng được chọn phù hợp với điện áp nguồn pin 3VDC với dòng tiêu thụ cực nhỏ ở chế độ Slave Lối ra A/B của cổng RS485 được bảo về bởi mạch chuyên dụng chống nhiễu điện áp cao

• Phần mềm nhúng

Phần mềm nhúng của áp kế số DMM1 bao gồm các mô đun chức năng đo lường + xử lý số kết quả đo, lưu trữ Min/Max và hiển thị Ngoài ra còn có mô đun cho

chế độ cài đặt Phần mềm này tận dụng các ngắt để chuyển đổi giữa các chế độ làm việc “Active”; “Low Power” và “Off” nhằm giảm tối đa dòng tiêu thụ từ nguồn pin

Chế độ PEAK:

Áp suất được đo 5000 lần trên giây và được đưa ra hiển thị 2 lần trong 1 giây Phía trên màn hiển thị biểu thị áp suất thực, phía dưới là áp suất đỉnh (lớn nhất) hoặc áp suất đáy (nhỏ nhất)

Thiết bị có những chức năng sau:

RESET: Giá trị lớn nhất, nhỏ nhất được đặt theo giá trị áp suất thực tế

ZERO: Chức năng ZERO cho phép thiết lập bất cứ giá trị áp suất nào thành 1 tham chiếu điểm không, từ đó bù độ lệch áp suất của khí áp kế

CONT: Thiết bị sẽ tắt 15 phút sau lần tác động phím chức năng cuối cùng Kích hoạt CONT (tiếp tục) để vô hiệu hóa chức năng tắt tự động này

UNITS: Áp suất có thể được chỉ thị bằng các đơn vị sau: bar, mbar, Pa, kPa, MPa, PSI, kp/cm2

Kích thước: Đường kính x Chiều caoxChiều sâu: 76x 118x 42mm

Nhiệt độ bảo quản/ làm việc : -20 70°C/0 50 ° C

Ch ng 3: THI T K  CH  T O H  TH NG PH I TR N DUNG 

D CH NHŨ HOÁ 

3.1 Thiết kế tổng thể

Trên hình 1.2 đã đưa ra Sơ đồ hệ thống định lượng pha trộn dung dịch trong trạm bơm Trước mắt hệ thống này sẽ được thử nghiệm tại một trạm bơm trên mặt đất trong môi trường không có khí cháy nổ, nhưng hệ thống sẽ phải được thiết kế để có thể sử dụng tại trạm bơm trong hầm lò Với định hướng như vậy liên quan đến vấn đề

an toàn, các cụm thiết bị của hệ thống được phân hoạc như sau:

- Tủ điều khiển gồm

o Bộ điều khiển PTTĐ kết nối với các tín hiệu cân, nhiệt độ, báo mức Tính toán và đưa ra tín hiệu điều khiển các van , còi/đèn cảnh báo, bơm cấp Bộ điều khiển PTTĐ phải hướng tới đạt chuẩn an toàn tia lửa Các tín hiệu lối ra công suất thấp phải đạt chuẩn an toàn Nguồn cấp cho Bộ điều khiển PTTĐ phải được lấy từ một bộ cấp nguồn an toàn phòng nổ

o Khối công suất kết nối đầu ra công suất thấp của bộ điều khiển qua các mạch công suất như rơ le, SSR với các thiết bị chấp hành (van nước, van dầu, đèn/còi cảnh báo; liên động kết nối bơm cấp nước/dầu và bơm áp lực ) Khối này khi đặt trong môi trường cháy nổ phải có vỏ đạt tiêu chuẩn an toàn phòng nổ Trước mắt khi lựa chọn linh kiện, thiết kế mạch nguyên lý, thiết kế mạch in và thiết kế khung vỏ với các giắc nối cáp vào/ra cần tuân thủ các yêu cầu về an toàn

- Các thiết bị vào/ra

o Thiết bị đầu vào là các loadcell từ các thùng cân nước và cân dầu; đầu

đo nhiệt độ PT100 và bộ phao báo tín hiệu đầy vơi từ bể chứa dung dịch Trước mắt sử dụng các thiết bị loại thông thường Khi đặt trong hầm lò sẽ phải sử dụng loại an toàn

o Thiết bị chấp hành đầu ra gồm van cân và van nước Trước mắt sử dụng các thiết bị loại thông thường Khi đặt trong hầm lò sẽ phải sử dụng loại

an toàn

- Các thiết bị cơ khí

o Si lô cân nước và cân dầu cùng hệ thống ống cấp/xả

o Khung treo các silô và hệ thống ống

a Xây dựng các tính năng cơ bản của Bộ điều khiển

Như đã được đề cập trong chương 1, nhiệm vụ chính của bộ điều khiển pha trộn tự động (PTTĐ) là khả năng điều khiển tự động toàn bộ quá trình pha trộn nhằm đảm bảo lượng dung dịch phối trộn và nồng độ dung dịch phối trộn luôn nằm trong phạm vi cho phép Ngoài ra, bộ điều khiển PTTĐ còn có những tính năng cơ bản sau:

- Khả năng đo và hiển thị

o Lượng nước có trên thùng chứa nước

o Lượng dầu có trên thùng chứa dầu

o Nhiệt độ trong bể chứa

o Hiển thị thông báo lỗi trong quá trình pha trộn

- Khả năng giám sát

o Cảnh báo nếu nhiệt độ vượt 500C

o Cảnh báo nếu lượng nước hoặc dầu chứa trên thùng không đủ cho

mẻ pha trộn

- Cài đặt các tham số

o Các tham số của loadcell

o Khối lượng dung dịch cần pha trộn

o Nồng độ dung dịch pha trộn

o Cho phép lưu trữ các thông số đã cài đặt

- Thiết kế hướng đến chuẩn an toàn tia lửa để có thể sử dụng trong hầm lò

b Sơ đồ khối bộ điều khiển

Trên cơ sở các tính năng đã được xác định như trên, đặc biệt là tính năng đạt chuẩn

an toàn tia lửa để có thể sử dụng cho hầm lò, đề tài đã xây dựng được sơ đồ khối bộ điều khiển PTTĐ được thể hiện trên hình 3.1

- Module Calculate& Control, nhận các tín hiệu tương tự từ các thiết bị đo, xử

lý tính toán và điều khiển mọi hoạt động của bộ PTTĐ

- Module Display lấy dữ liệu từ module Main gửi lên phục vụ việc hiển thị và giao tiếp người dùng

- Khối nguồn tạo nguồn cung cấp đạt chuẩn an toàn phòng nổ cho các module trong hệ thống hoạt động

c Các thông số kỹ thuật cơ bản

- Input

o Đầu vào tương tự: 2 đầu vào cho loadcell và 1 đầu vào cho PT100

o Đầu vào số: 8 đầu vào số cách ly điện áp tới 2.5kV

3.2 Thiết kế phần cứng Bộ điều khiển

a Nguyên tắc thiết kế chế tạo

Môi trường hầm lò là môi trường khắc nghiệt có độ ẩm cao, có khí bụi nổ, thời gian hoạt động liên tục, nên sản phẩm đề tài được thiết kế để đảm bảo tiêu chuẩn khắt khe về an toàn tia lửa TCVN-7079, đồng thời phải có khả năng hoạt động ổn định theo thời gian Từ thực tế trên, việc thiết kế chế tạo phải tuân thủ các nguyên tắc:

- Thiết bị phải đạt tiêu chuẩn an toàn tia lửa Ex “ia”I theo tiêu chuẩn

TCVN-7079

- Thiết bị phải làm việc chính xác, hoạt động ổn định theo thời gian

- Lưu trữ tham số khi thay đổi và không mất dữ liệu khi mất điện

- Các tính năng hiển thị và cảnh báo phải rõ ràng

- Dễ dàng vận hành

b Lựa chọn linh kiện và thiết kế từng khối

Căn cứ vào nguyên tắc thiết kế, việc chọn lựa linh kiện nhằm đảm bảo các mục tiêu:

- Đảm bảo yêu cầu của tiêu chuẩn TCVN-7079

- Linh kiện phải có tính năng tốt, tiêu thụ ít năng lượng, kích thước nhỏ gọn, làm việc chính xác và ổn định

- Các linh kiện phổ biến trên thị trường

™ Lựa chọn và thiết kế mạch khuếch đại đo lường

Do tín hiệu đầu ra loadcell thường rất nhỏ (không quá 30mV) do đó các mạch khuếch đại tín hiệu thường sử dụng là dạng khuếch đại đo lường nối tầng để tăng hệ

số khuếch đại Đề tài sử dụng IC INA125 của STMicroelectronics Đây là IC khếch đại đo lường chuyên dùng cho các mạch cầu với bộ nguồn chuẩn được tích hợp sẵn trên IC Các thông số cơ bản của INA125:

‐ Dòng hoạt động thấp: 460uA

‐ Điện áp chuẩn có thể chọn là 1.25V, 2.5V, 5V, và 10V

‐ Điện áp offset thấp: lớn nhất chỉ 250uV

‐ Độ trôi nhiệt thấp: lớn nhất chỉ 2uV/0C

‐ Điện áp cung cấp ±1.35 - ±18V

‐ Thay đổi hệ số khuếch đại thông qua điện trở Rg mắc bên ngoài theo công thức:

Hình 12: Sơ đồ khối IC INA125

™ Lựa chọn và thiết kế nguồn cách ly

Nguồn cách ly có chức năng cung cấp nguồn cách ly, an toàn tia lửa giữa nguồn cấp bên ngoài và mạch tiêu thụ Như đã được trình bày trong mục thông

số kỹ thuật, sản phầm đề tài cần nguồn cho các vi mạch số và

cho các vi mạch tương tự Tương ứng với các nguồn này, chúng tôi

đã chọn các module nguồn cách ly DC/DC của TDK-Lambda với các thông số

cơ bản như sau

Hình 13: Module nguồn cách ly CC3-1205SF-E của TDK-Lambda

Hình 14: Module nguồn cách ly CC3-1212DF-E của TDK-Lambda

Theo qui định an toàn tia lửa TCVN-7079, , đầu ra các nguồn cách ly trước khi đưa đến tải phải có cầu chì để bảo vệ quá dòng và 3 diode zenner loại TVS (Transient Voltage Suppresion) để để chống và cắt các xũng nhiễu điện áp đi vào từ đường cấp nguồn

Để đảm bảo an toàn tia lửa, theo qui định, giữa mạch an toàn tia lửa và không

an toàn tia lửa phải có cách ly điện áp tối thiểu 1.5kV Đối với sản phẩm đề tài, phải thực hiện cách ly ở các phần vào và ra số Đối với các tín hiệu vào số, IC này có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển on/off (tín hiệu 1 chiều điện áp +12VDC) từ thiết bị báo mức thấp của bể dung dịch sau đó chuyển sang tín hiệu nằm trong dải 0-5V trước khi đưa vào I/O của bộ xử lý trung tâm Tương tự với tín hiệu ra số, các IC này có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển từ bộ xử lý trung tâm thành tín hiệu điều khiển các cơ cấu chấp hành (van điện từ, rowle, ) Đề tài đã chọn lựa IC cách ly quang TLP521 với các thông số:

‐ Hệ số chuyển đổi dòng 100%

‐ Điện áp cách ly 2.5kV

‐ Nhiệt độ làm việc -250C - 800C

Hình 16: Mạch cách ly vào ra tín hiệu

™ Lựa chọn ADC và bộ xử lý trung tâm

Đối với bài toán định lượng, lựa chọn ADC có độ phân giải 12 bit là hợp lý Công nghệ bán dẫn ngày càng phát triển, kéo theo đó là khả năng tích hợp nhiều tính năng lên một chip duy nhất Hiện nay các hãng sản xuất các vi điều khiển thường tích hợp luôn ADC on-chip Điều này làm giảm kích thước của sản phẩm, đồng thời giao tiếp giữa MCU với ADC cũng đơn giản hơn Để thực hiện được các tính năng đã đặt

ra, đề tài đã chọn vi xử lý PIC18F4553 của Microchip làm bộ xử lý trung tâm Các tính năng chính của PIC18F4553:

‐ Tính năng tiết kiệm năng lượng với các chế độ chạy có thể lập trình như

o Run: CPU ON, ngoại vi ON dòng tiêu thụ cỡ 3mA

o Idle: CPU OFF, ngoại vi ON dòng tiêu thụ cỡ 5.8uA

o Sleep: CPU OFF, ngoại vi OFF dòng tiêu thụ cỡ 0.1uA

‐ Tính năng nổi trội khác mà đề tài chọn lựa

o Kiến trúc tối ưu cho trình biên dịch ngôn ngữ C

o 32K Flash, 2K Ram, 256 bytes EEPROM

o Bộ nhớ có thể ghi xóa hơn 100000 lần

Hình 17: Sơ đồ chân PIC18F4553

™ Lựa chọn và thiết kế khối Display

Nhiệm vụ chính của module Display là nhận dữ liệu từ khối Calculate & Control gửi lên để hiện thị, đồng thời giao tiếp với người sử dụng thông qua bàn phím và LED hiển thị Với những tính năng như thế, việc chọn lựa vi xử lý cho khối Display không đòi hỏi nhiều các tính năng Đề tài đã chọn chip ATMEGA644A của Atmel làm bộ điều khiển trung tâm cho module Display

Hình 18: Sơ đồ chân Atmega644A

Đối với LED hiển thị, do phải làm việc trong môi trương bụi nhiều, thiếu ánh sáng nên các LED được lựa chọn là siêu sáng, có độ tương phản tốt

c Các vấn đề kỹ thuật, công nghệ cần giải quyết

™ Vấn đề nguồn nuôi cho bộ điều khiển

Để đảm bảo an toàn tia lửa theo tiêu chuẩn TCVN-7079, nguồn nuôi phải cách

ly an toàn tia lửa với nguồn cấp bên ngoài Mặt khác, khối nguồn cung cấp phải đảm bảo an toàn phòng nổ Do vậy đề tài sử dụng các module nguồn cách ly DC/DC của TDK với điện áp cách ly lên tới 500V và điện áp 12VDC được lấy bộ nguồn phòng nổ VIELINA-PCO do VIELINA chế tạo Đây là bộ nguồn đã được trung tâm An toàn

Mỏ kiểm định và cấp giấy chứng nhận đạt chuẩn an toàn phòng nổ và hiện đang sử dụng rộng rãi tại các mỏ than thuộc TKV Các đặc điểm cơ bản của bộ nguồn VIELINA-PCO :

‐ Dạng bảo vệ của thiết bị: ExdiaI, vỏ không xuyên nổ “d”, nguồn ra DC an toàn tia lửa “e”

‐ Điện áp làm việc: Một pha có thể chọn lựa 127VAC/380VAC/660VAC±10%

‐ Cấp 4 nguồn ra độc lập, cách ly, an toàn tia lửa

o Điện áp ra 12VDC

o Dòng mỗi đầu ra 300mA (max 1A)

‐ Thời gian nạp đầy pin: 12h, thời gian làm việc sau khi mất nguồn cấp với pin được nạp đầy là 4h

™ Vấn đề hiệu chuẩn bộ điều khiển

Cơ sở tiến hành hiệu chuẩn:

- Dựa trên đặc tuyến của các linh kiện do nhà sản xuất cung cấp Việc hiệu chuẩn này được thực hiện trong phòng thí nghiệm

- Hiệu chuẩn theo quả cân chuẩn, được thực hiện tại hiện trường

™ Vấn đề an toàn tia lửa

Căn cứ theo tiêu chuẩn an toàn tia lửa TCVN-7079, mục 11 về an toàn tia lửa đối với các thiết bị sử dụng trong hầm lò, đề tài đã giải quyết được các vấn đề:

- Nguồn nuôi cho các module là nguồn cách ly có công suất ít nhất là gấp đôi công suất tiêu thụ của thiết bị Ngoài ra các linh kiện cũng được chọn lựa có công suất làm việc bằng tối đa ½ công suất cho phép

- Đầu ra các module nguồn đều có 3 diode zener đấu song song loại TVS để cắt nhiễu xung áp và qua cầu chì phản ứng nhanh để bảo vệ quá dòng khi có

sự cố xảy ra nhằm đảm bảo loại bỏ hiện tượng đánh lửa khi chập mạch

- Các mạch vào ra đều cách ly điện áp tới 2.5kV và có xẻ rãnh

- Tính toán được các trị số linh kiện đảm bảo tiêu chuẩn TCVN-7079: Bao gồm giá trị điện dung và điện cảm tương ứng với mức điện áp nguồn nuôi

- Thiết kế mạch in với các đường đi dây mạch và khoảng cách giữa các dây mạch tuân theo tiêu chuẩn TCVN-7079

™ Vấn đề về độ ổn định của thiết bị

Độ ổn định của thiết bị phụ thuộc lớn vào việc chọn lựa linh kiện và chất lượng cũng như thiết kế mạch in Do đó khi chọn lựa linh kiện phải chú ý tới độ ổn định nhiệt Ngoài ra vì làm việc trong môi trường có độ ẩm cao nên mạch sau khi chế tạo xong cần phủ một lớp chống ẩm

3.3 Thiết kế phần mềm Bộ điều khiển

a Thiết kế cấu trúc phần mềm nhúng

Trên cơ sở cấu hình phần cứng như đã được đề cập trong chương 3, phần mềm của bộ điều khiển PTTĐ cũng được phân thành hai Module: Phần mềm cho module Display và phần mềm cho module Calculate & Control Phần mềm cho module Display có chức năng trao đổi dữ liệu nội bộ với module Calculate & Control, đồng thời tương tác với người sử dụng thông qua giao diện phím bấm và LED hiển thị Phần mềm cho module Calculate & Control nhận tín hiệu từ loadcell đưa về, tính toán

và đưa ra tín hiệu điều khiển các van tương ứng để thực hiện việc định lượng cho quá trình pha trộn.Toàn bộ chương trình phần mềm có thể mô tả thông qua lưu đồ trạng thái được minh họa trong hình 3.10 

Hình 19: Lưu đồ trạng thái chương trình

Việc trao đổi dữ liệu giữa 2 Module được thực hiện thông qua chuẩn giao tiếp RS232 với giao thức truyền thông do nhóm thực hiện đề tài tự thiết kế, sẽ được trình bày cụ thể trong mục thiết kế giao thức truyền thông

b Thiết kế phần mềm cho module Calculate & Control

Hình 20: Lưu đồ thuật toán quá trình thu thập dữ liệu

Dựa trên lưu đồ trạng thái chương trình 3.9, module Calculate & Control bao gồm các hoạt động cơ bản là thu thập tín hiệu đo, tính toán ra các thông số tương ứng với các tín hiệu và điều khiển quá tŕnh pha trộn

Các hoạt động của module Calculate & Control được thể hiện trên lưu đồ thuật toán hình 3.11 và 3.12

c Thiết kế phần mềm cho module Display

Như đã đề cập, một trong những chức năng của Module HMI là giao tiếp với người sử dụng thông qua các phím bấm và màn hình LED 7 đoạn Căn cứ vào các mã phím được ấn, phần mềm sẽ lựa chọn lệnh tương ứng và điều khiển sự truy nhập menu, đồng thời màn hình LED sẽ được cập nhật theo Đối với quá trình cài đặt thông

số, sau khi hoàn tất, các thông số sẽ được lưu trong bộ nhớ EEPROM

Hình 21: Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển PTTĐ

Hình 22: Lưu đồ thuật toán chương trình trên module Display

d Thiết kế giao thức truyền thông

Hoạt động trao đổi dữ liệu giữa hai module Calculate & Control và Display được thực hiện thông qua chuẩn RS232 với giao thức truyền thông do nhóm thực hiện đề tài

tự thiết kế.Đề tài chọn kiểu truyền thông Master-Slave với số liệu truyền đi được mã hóa theo mã Ascii, trong đó chip Atmega644 trong module Display đóng vai trò là Master điều phối quá trình truyền thông, còn chip Pic18F4553 trong module Calculate

& Control đóng vai trò là Slave Hoạt động của quá trình trao đổi dữ liệu diễn ra như sau: Việc gửi yêu cầu trao đổi thông tin được bên Master chủ động theo chu kỳ với định dạng khung truyền được mô tả theo hình 3.13 Mỗi bản tin do Master gửi đi được đánh dấu bắt đầu bởi byte SOH, kết thúc bởi ETX và một header qui định lệnh Thuật toán kiểm tra lỗi đường truyền sử dụng thuật toán checksum Chi tiết các mô tả cấu trúc bản tin được trình bày trong phần tiếp theo

Hình 23: Chu kỳ vòng quét truy vấn dữ liệu

Cấu trúc khung bản tin:

¾ Cấu trúc bản tin truy vấn dữ liệu

Bản tin Master gửi

Bản tin Slave trả lời

¾ Gửi lệnh bắt đầu làm việc

Bản tin Master gửi