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
Trang 1NGHIÊN 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: ptcat@ioit.ncst.ac.vn
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
Trang 2EVIEW 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
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
Trang 3Để 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
Trang 43 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 & bộloa 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:
Trang 5Giao 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
Trang 6- Các thuật điều khiển
- Có thể thêm các thuật riêng của người sử
dụng
Thư viện có sẵn 3 tệp:
+ EDDKL.LIB
+ SOCKL.LIB
+ WATTCPBL.LIB
5 THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI ĐO XA RTU2
Thiết bị đầu cuối đo xa RTU2 được chế tạo trên cơ
sở công nghệ nhúng PC/104
Phần cứng của RTU2
+ PC/104, 800MHz
512Mb RAM, 128Mb FLASH
+ Connector RJ45 - cáp dây xoắn đôi
+ Card thu nhận dữ liệu PV2019
+ Card Rơle AX10455
+ Điện cực đo PH HI-1333B
+ Bộ chuyển đổi PH HI-8614L
Phần mềm của RTU2
+ Hệ điều hành DOS6.2
+ Chương trình đọc các giá trị:
Đo giá trị dòng qua thiết bị chuyển đổi HI
8614L, sau đó quy đổi sang giá trị độ PH và gửi
cho EWIEW qua mạng Ethernet
+ 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 RTU2 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
- Lọc bậc 1 theo tỷ lệ mong muốn
- Các thuật điều khiển
- Có thể thêm các thuật riêng của người sử dụng
Thư viện có sẵn 3 tệp:
+ EDDKL.LIB + SOCKL.LIB + WATTCPBL.LIB
6 KẾT LUẬN
“Hệ thống đo và quan trắc môi trường xí nghiệp công nghiệp” đã sử dụng những công nghệ tiên tiến hiện nay Công nghệ nhúng PC/104 tạo ra phần cứng của thiết bị vững chắc, nhỏ gọn, chịu được rung xóc Các modul CPU, AD, DA, DIO đa dạng, mạng cục bộ Ethernet đạt tốc độ cao Mạng tạo khả năng thêm các RTU dễ dàng, có thể đo và kiểm sát được vùng diện tích rộng,
Phần mềm của thiết bị RTU đã cung cấp tất cả những phần cần thiết về đo các thông số như nhiệt
độ, độ ẩm, tiếng ồn, độ PH và chuyển đổi sang đơn
vị phù hợp như DB, 0C, % Chương trình EVIEW chạy trên các máy PC thông thường trên hệ điều hành Win98, WinXP, Win2000…EView cung cấp rất nhiều công cụ để giám sát toàn bộ hệ thống theo thời gian thực, dễ cài đặt, dễ sử dụng, đáp ứng được các yêu cầu của người sử dụng
“Hệ thống đo và quan trắc môi trường xí nghiệp công nghiệp” với các công nghệ phần cứng tiên tiến, phần mềm theo chuẩn quốc tế, dễ sử dụng, giá thành thấp hơn so với nhập ngoại rất có triển vọng được ứng dụng rộng rãi trong nước
Tài liệu tham khảo:
[1] PV-2019 Programming Information [2].NGUYỄN QUỐC CƯỜNG (2001)
Internetworking vớI TCP/IP, tập 1 [3].Tài liệu sử dụng trạm quan trắc môi trường RTU1 (2004)
Phòng Công nghệ tự động hoá- Viên Công nghệ thông tin
[4].Tài liệu sử dụng trạm quan trắc môi trường RTU2 (2004)
Phòng Công nghệ tự động hoá- Viên Công nghệ thông tin
[5].Tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm EVIEW
(2003)
Phòng Công nghệ Tự động hoá - Viện Công nghệ Thông tin
8AI:
4-20mA
.
8AI:
0-10V 4 rơle: ~220V
Đầu đo dòng
4-20mA