MỤC LỤC
PHẦN I : MỞ ĐẦU .5
I. GIỚI THIỆU CHUNG 5
II. MỤC TIÊU, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 6
PHẦN II : NỘI DUNG CHÍNH BÁO CÁO .7
III. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC .7
IV. CÁC KẾT QUẢ KHẢO SÁT VÀ NGHIÊN CỨU .9
1. Khảo sát tình hình tại các mỏ ([8], [9]) 9
2. Một số vấn đề về an toàn lao động trong khai thác hầm lò ([8], [9]) 11
2.1. Công tác an toàn ở các mỏ .11
2.2. Vấn đề về phòng chống cháy nổ .14
2.3. Vấn đề về môi trường độc hại 17
2.4. Vấn đề về thoát khí trong khai thác 18
2.5. Các thông số môi trường cần kiểm soát trong khai thác hầm lò .19
3. Thiết bị điện trong khai thác mỏ ([10],[11]) .20
3.1. Phân loại thiết bị điện trong hầm mỏ .20
3.2. Các yêu cầu đối với thiết bị điện trong hầm lò 21
4. Cơ sở lý thuyết và yêu cầu của các cảm biến khí 21
4.1. Cơ sở lý thuyết 21
4.2. Yêu cầu của các cảm biến 22
4.3. Các phương pháp cảm biến khí 22
4.4. Giới thiệu về các loại sensor lựa chọn .28
4.5. Hiện trạng về các thiết bị đo khí trong Tổng Công ty than Việt Nam 33
V. CƠ SỞ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 36
1. Cơ sở, quan điểm thiết kế các thành phần trong hệ thống 36
1.1. Cơ sở chung thiết kế hệ thống 36
1.2. Quan điểm thiết kế hệ thống thiết bị đo phân tán 38
2. Cấu trúc các thành phần trong hệ thống 39
VI. THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ TT ĐIỀU HÀNH 43
1. Mô hình và các giao diện nối ghép trong hệ thống .43
1.1. Các nội dung chính thử nghiệm .43
1.2. Mô hình chung hệ thống thử nghiệm 43
1.3. Trạm thiết bị chủ VIAG-MCS05 và cấu hình PC-Server trong mô
hình thử nghiệm 45
1.4. Thiết kế các khối nối ghép mạng 46
2. Thiết kế giao thức truyền thông 48
2.1. Giới thiệu chung về giao thức 48
2.2. Cấu hình và cấu trúc các thành phần trong hệ thống mạng 49
3. Thiết kế phần mềm quản lý, điều hành SLabS-Mining trên PC-Server 56
3.1. Xây dựng các chức năng phần mềm .56
3.2. Thiết kế cơ sở dữ liệu .57
3.3. Hoạt động trao đổi dữ liệu giữa PC-Server với trạm thiết bị chủ
VIAG-MCS05 64
3.4. Giao diện và các chức năng phần mềm được xây dựng .66
VII. THIẾT KẾ CÁC TRẠM THIẾT BỊ ĐO PHÂN TÁN .71
1. Giới thiệu chung 71
2. Thiết kế chi tiết các trạm thiết bị đo 71
2.1. Thiết kế phần cứng trạm làm việc 71
2.2. Thiết kế phần cứng điểm đo .75
2.3. Thiết kế thiết bị đo khí mêtan cầm tay 77
3. Thiết kế phần mềm .80
3.1. Thiết kế phần mềm trạm làm việc .80
3.2. Thiết kế phần mềm cho điểm đo .91
3.3. Thiết kế phần mềm cho thiết bị đo khí mêtan cầm tay .93
3.4. Thiết kế phần mềm quản lý số liệu tại trạm làm việc .93
4. Các phương pháp truyền thông 97
4.1. Truyền dẫn vô tuyến (dùng cho trạm làm việc DCS02) .97
4.2. Truyền dẫn hữu tuyến .98
VIII. THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM .101
1. Mục tiêu, nội dung thử nghiệm .101
2. Cấu hình và bài toán phục vụ thử nghiệm tại phòng thí nghiệm 101
3. Kết quả thử nghiệm mô hình tại phòng thí nghiệm 105
IX. THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG TẠI MỎ THAN NGÃ HAI 108
1. Mục tiêu, nội dung thử nghiệm .108
1.1. Mục tiêu thử nghiệm .108
1.2. Nội dung thử nghiệm 108
2. Hệ thống thử nghiệm và bài toán giải quyết .109
2.1. Cấu hình phục vụ bài toán thử nghiệm tại mỏ than .109
2.2. Mô tả khai trường .110
2.3. Yêu cầu về ngưỡng báo động .112
2.4. Công tác đối sánh kết quả giám sát .112
3. Kết quả thử nghiệm và đánh giá .112
3.1. Phần hệ thống TT điều hành 112
3.2. Phần các thiết bị đo 116
PHẦN III : KẾT LUẬN VÀ PHỤ LỤC BÁO CÁO 118
X. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 118
XI. PHỤ LỤC BÁO CÁO 122
1. Đối chiếu kết quả thực hiện so với đăng ký ban đầu .122
2. Hồ sơ, văn bản pháp lý liên quan .124
3. Các sơ đồ thiết kế trạm thiết bị chủ VIAG-MCS05 .145
4. Sơ đồ thiết kế các trạm thiết bị đo DCS.xx .153
5. Các dịch vụ cơ bản và quy định chung trong giao thức KC.03.04-PB v1.0 .161
6. Một số số liệu thu được trong đợt thử nghiệm tại mỏ than Ngã Hai 166
7. Tổng hợp một số màn hình chức năng phần mềm Slabs-Mining 170
8. Diễn giải một số hàm người dùng UF (User Functions) sử dụng trong phần
mềm SLabs Mining V1.02 .172
182 trang |
Chia sẻ: banmai | Lượt xem: 2045 | Lượt tải: 4
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ scada phục vụ an toàn lao động trong ngành khai thác hầm lò, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
UE – Read OK
Hàm phải được gọi qua hàm chuẩn
uaUtilityEnumRecords1() dùng để đọc dữ liệu cấu hình
trạm thiết bị đo hiện thời (được lọc qua mã ID) trong CSDL
UA trạm thiết bị đo UA_STA_CFG_NAME và cập nhật vào
biến cấu trúc STA0 (kiểu cấu hình trạm thiết bị đo
STA_CFG).
Ghi chú: Hàm phải được gọi thông
qua hàm tiện ích UA chuẩn
uaUtilityEnumRecords1()
Project
Current
Measure
ment
Values
BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
156A Quán Thánh, Ba Đình, Hà Nội
X W Y Z X W
Báo cáo tóm tắt tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ
SCADA PHỤC VỤ AN TOÀN LAO ĐỘNG
TRONG NGÀNH KHAI THÁC HẦM LÒ
GS.TSKH. Nguyễn Xuân Quỳnh
Hà Nội, 05/2004
Bản quyền 2001-2004, Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
DANH SÁCH CÁN BỘ KHOA HỌC CHÍNH THAM
GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
STT Tên Ghi chú
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
GS.TSKH. Nguyễn Xuân Quỳnh
TS. Nguyễn Thế Truyện
ThS. Nguyễn Duy Hưng
ThS. Trần Thanh Thủy
ThS. Trịnh Hải Thái
KS. Nguyễn Thị Hương Lan
KS. Tạ Văn Nam
KS. Nguyễn Nam Hải
KS. Bùi Đức Trí
KS. Nguyễn Đức Lương
KS. Nguyễn Công Hiệu
KS. Luyện Tuấn Anh
KS. Kiều Mạnh Cường
KS. Nguyễn Thế Vinh
KS. Nguyễn Văn Cường
Chủ nhiệm đề tài
Chủ trì phần thiết kế các trạm đo
Chủ trì phần thiết kế hệ thống
* CHUYÊN GIA CỐ VẤN CHUYÊN NGÀNH:
KS. Bàng Đức, Phó cục trưởng Cục Kỹ thuật An toàn - Bộ Công nghiệp
TS. Lê Văn Thao, Viện khoa học Công nghệ mỏ
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
2
MỤC LỤC
I. GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................................................3
1. Lời mở đầu........................................................................................................................3
2. Mục tiêu, nội dung nghiên cứu .........................................................................................3
3. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .....................................................4
II. TÓM LƯỢC CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỀ TÀI..................................................6
1. Các nội dung khảo sát, nghiên cứu ..................................................................................6
2. Thiết kế hệ thống SCADA.................................................................................................7
2.1. Cơ sở, quan điểm thiết kế các thành phần trong hệ thống...........................7
2.2. Cấu trúc các thành phần trong hệ thống......................................................8
3. Thiết kế mô hình hệ thống và TT điều hành...................................................................11
3.1. Mô hình và các giao diện nối ghép trong hệ thống....................................11
3.2. Trạm thiết bị chủ VIAG-MCS05 và cấu hình PC-Server trong mô
hình.............................................................................................................13
3.3. Thiết kế giao thức truyền thông..................................................................14
3.4. Thiết kế phần mềm quản lý, điều hành SLabS-Mining trên PC-
Server..........................................................................................................14
4. Thiết kế các trạm thiết bị đo phân tán.............................................................................15
4.1. Thiết kế các trạm thiết bị đo.......................................................................15
4.2. Thiết kế phần cứng điểm đo .......................................................................18
4.3. Thiết kế thiết bị đo khí mêtan cầm tay........................................................19
4.4. Thiết kế phần mềm......................................................................................21
5. Thử nghiệm hệ thống tại phòng thí nghiệm....................................................................21
5.1. Mục tiêu, nội dung thử nghiệm...................................................................21
5.2. Kết quả thử nghiệm mô hình tại phòng thí nghiệm ....................................22
6. Thử nghiệm hệ thống tại mỏ than Ngã Hai.....................................................................25
6.1. Mục tiêu, nội dung thử nghiệm...................................................................25
6.2. Kết quả thử nghiệm và đánh giá ................................................................26
III. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................30
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
3
I. GIỚI THIỆU CHUNG
1. Lời mở đầu
Trong những năm gần đây, sản lượng khai thác than của Tổng công ty Than Việt
Nam (TVN) ngày càng tăng, cùng theo đó là việc tăng sản lượng than xuất khẩu
nên lợi nhuận thu được từ ngành than ngày càng lớn. Đến ngày 21/11/2003 sản
lượng khai thác than của TVN đạt 18 triệu tấn, về trước kế hoạch đặt ra là 2 năm.
Theo Tổng công ty Than Việt Nam, tổng doanh thu năm 2003 của ngành dự kiến
đạt gần 9.502 tỷ đồng, trong đó, doanh thu từ sản xuất than là 6.050 tỷ đồng, còn
lại là các ngành nghề khác. Như vậy, tỷ trọng tính theo doanh thu của các ngành
nghề khác so với than năm 2003 đạt 36/64%. Năm nay, Than Việt Nam nộp vào
NSNN khoảng 375 tỷ đồng, lợi nhuận trước thuế đạt 352 tỷ đồng. Thu nhập bình
quân của CBCNV đạt gần 2 triệu đồng/người/tháng. Tuy nhiên đi cùng với những
con số trên thì về khai thác, hiện nay TVN đã phải đầu tư nhiều vào khai thác hầm
lò, còn sản lượng khai thác than lộ thiên ngày càng giảm. Khi triển khai vào khai
thác hầm lò thì luôn có nguy cơ xẩy ra các hiểm hoạ như: cháy nổ khí mêtan, bục
nước, sập hầm lò,… Trong các hiểm hoạ trên thì hiểm hoạ cháy nổ khí mê tan là
khủng khiếp nhất bởi vì nó xẩy ra rất nhanh trong một diện rộng với nhiệt độ và áp
suất ở mức rất cao (có thể lên tới 2650oC và 10at), do đó không có ai đang ở trong
vùng xẩy ra hiểm hoạ lại có thể sống sót được. Trên thế giới cũng như ở Việt Nam
vẫn thường xẩy ra hiểm hoạ cháy nổ khí mêtan. Vụ cháy nổ khí mêtan ngày
11/1/1999 tại lò thượng V9B đông Công ty Than Mạo khê làm 19 người bị chết và
12 người bị thương là nghiêm trọng nhất. Sau vụ tai hoạ này TVN đã ra các quy
định nghiêm ngặt về vấn đề an toàn lao động trong khai thác hầm lò.
Cũng từ sau tai hoạ này Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hoá (VIELINA) đã
đầu tư nghiên cứu, chế tạo các thiết bị cũng như hệ thống đo khí mêtan trong mỏ
than. Đặc biệt từ tháng 10 năm 2001 VIELINA đã được giao chủ trì thực hiện đề
tài cấp nhà nước mã số KC.03.04: Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống SCADA
phục vụ an toàn lao động trong khai thác hầm lò. Trong suốt quá trình thực hiện
đề tài chúng tôi luôn phối hợp chặt chẽ với TVN và các Công ty thành viên để đảm
bảo sản phẩm đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của người sử dụng cũng như các yêu
cầu về an toàn, phòng chống cháy nổ. Mặc dù môi trường đặc thù trong hầm lò rất
khắc nghiệt, nhưng được sự phối hợp giúp đỡ của TVN, các cơ quan chức năng
VIELINA đã thiết kế chế tạo được hệ thống đảm bảo các yêu cầu khắc nghiệt đó
và đảm bảo độ ổn định, tin cậy trong quá trình thử nghiệm. Sau đây, chúng tôi xin
trình bày tóm tắt về các kết quả đã đạt được trong quá trình thực hiện đề tài
KC.03.04.
2. Mục tiêu, nội dung nghiên cứu
Mục tiêu đăng ký
Tự thiết kế chế tạo được hệ SCADA phức hợp đa thông số (như CH4, CO2, CO,
NOx, SOx, H2S, t0 …) cho ngành khai thác hầm lò thay thế nhập ngoại, giá thành
thấp, có thể nhân rộng cho nhiều đối tượng khai thác hầm lò, nâng cao độ chính
xác, độ tin cậy và tính ổn định của hệ thống.
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
4
Nội dung nghiên cứu
− Khảo sát tình hình thực tiễn tại một số mỏ hầm lò, ưu tiên mỏ than Hà Lầm
− Nghiên cứu nguyên lý làm việc của các loại Sensor đo các khí cần nghiên cứu
và tiến hành thực nghiệm
− Tham khảo và hội thảo về khoa học liên quan đến Sensor
− Nghiên cứu thiết kế hệ thống SCADA
− Thiết kế chi tiết các phân hệ trong hệ thống SCADA (các hệ đo lường, điều
khiển tự động, thông tin, xử lý tín hiệu v.v…)
− Thiết kế phần mềm hệ thống, phần mềm điều khiển, phần mềm xử lý tín hiệu
v.v… Viết các bộ phần mềm tương ứng
− Trao đổi với Ấn Độ, Hàn Quốc, Nhật, Mỹ v.v… có thể chuyển giao công nghệ
− Hợp tác với 1 mỏ than để thử nghiệm và đưa vào ứng dụng
− Hoàn thiện và tổ chức tổng kết rút kinh nghiệm
3. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Do những vấn đề bức xúc trong việc khai thác trong các hầm lò như phải đảm bảo
an toàn cho người lao động và bảo vệ các đường hầm, các nước trên thế giới hàng
năm đã phải chi những khoản kinh phí lớn cho việc nghiên cứu, lắp đặt, đổi mới
các thiết bị phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò nhằm nâng cao độ an toàn,
ngăn chặn kịp thời và giảm thiểu các vụ tai nạn do khí độc hay cháy nổ gây ra. Tuy
nhiên do chi phí lớn, các nước đang phát triển luôn bị tụt hậu so với các nước có
nền công nghiệp đã phát triển trong vấn đề đảm bảo an toàn, có thể thấy hầu hết
các vụ tai nạn cháy nổ lớn đều xảy ra ở các nước có nền kinh tế chậm phát triển do
sử dụng thiết bị công nghệ lạc hậu, độ tin cậy kém và hoạt động thiếu ổn định.
Đối với các nước phát triển, vấn đề an toàn trong khai thác hầm lò đã được đặc
biệt chú trọng và được nghiên cứu từ rất sớm nhằm đưa ra các biện pháp giải quyết
và hiện nay các nước này đã đạt được những kết quả khả quan. Nhờ sự phát triển
nhanh của các ngành khoa học kỹ thuật trong những năm gần đây mà các hệ thống
dạng SCADA phục vụ cho công tác bảo đảm an toàn lao động trong hầm lò đã
được đưa vào sử dụng từ những năm đầu thập kỷ 90 và thực tế cho thấy số vụ tai
nạn do cháy nổ đã giảm hẳn khi sử dụng các hệ thống này.
Do những quy định nghiêm ngặt về an toàn trong khai thác hầm lò và do đặc thù
của ngành khai thác này (như nằm sâu dưới lòng đất, địa hình trải dài và phức tạp,
môi trường khắc nghiệt do nhiệt độ, độ ẩm cao và sự đe dọa luôn xuất hiện các loại
khí độc và khí dễ gây cháy nổ) mà các hệ thống thiết bị phải có cấu trúc linh hoạt,
độ bền cơ học cao, hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt trên diện rộng nên giá
thành cũng khá cao. Hiện nay các hệ thống bảo đảm an toàn thường có cấu trúc
theo kiểu mạng SCADA bao gồm trung tâm giám sát, cảnh báo và điều phối kịp
thời hoạt động của thợ mỏ dưới hầm lò khi có nguy cơ xảy ra cháy nổ nhằm ngăn
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
5
chặn kịp thời tai nạn có thể xảy ra. Trung tâm này sẽ thu thập các số liệu đo truyền
về từ các điểm đo cố định và/hoặc các điểm đo di động (như gắn trên xe, đeo bên
người, ...) thông qua hệ thống mạng truyền tin hữu tuyến và/hoặc vô tuyến cho
phép cảnh báo tại chỗ hoặc từ xa trước những nguy hiểm có thể xảy ra. Ngoài ra
một số hệ thống còn cho phép liên lạc đàm thoại giữa trung tâm với các khu vực
nhằm cảnh báo và trao đổi thông tin kịp thời với các thợ hầm lò ở trong vùng nguy
hiểm. Đặc biệt ở Úc, Anh và Đức các hệ thống SCADA diện rộng phục vụ cho an
toàn lao động trong ngành khai thác hầm lò rất phát triển. Chính vì vậy ít xảy ra tai
nạn ở ngành này trong các nước kể trên.
Tình hình nghiên cứu trong nước
Mặc dù vấn đề an toàn trong hầm lò tại Việt nam đã được chú trọng từ lâu nhưng
do nguồn kinh phí hạn hẹp và những giải pháp thực hiện còn gặp nhiều khó khăn
trong điều kiện Việt nam nên chưa có nhiều nghiên cứu tổng thể nhằm giải quyết
vấn đề này. Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa là cơ quan đã sớm phối hợp
với các cơ sở trong Tổng công ty than triển khai những nghiên cứu nhằm giải
quyết vấn đề trên và bước đầu đã đạt được những kết quả khả quan với sự ra đời
của hệ SCADA đầu tiên do Việt nam chế tạo mang ký hiệu DCX-70-1. Tuy nhiên
do vấn đề kinh phí và mục đích chính là phục vụ việc nghiên cứu, thử nghiệm ban
đầu mà hệ SCADA này mới chỉ giới hạn ở việc đo khí mêtan trong hầm lò, việc đo
và cảnh báo các khí độc hại khác (như CO2, CO, NOx, SOx, SH2, ...) còn chưa có
điều kiện thực hiện được. Có thể nói ở trong nước đây là nghiên cứu đầu tiên tiếp
cận đến lĩnh vực này.
Danh mục một số công trình nghiên cứu có liên quan
− Các bài báo về an toàn mỏ đã được đăng trong tuyển tập các Hội nghị VICA 3
và VICA 4.
− Xây dựng hệ thống đo lường cảnh báo và xử lý khí cháy nổ ở mỏ than DCX
70-1 và DCX 70-2 (KHCN - 04 - 04 - 01)
− Sensor khí mê tan SM1 và SM2 (KHCN - 04 - 04 - 01)
− Thiết bị đo và cảnh báo khí metal đặt tại chỗ ký hiệu CMQX-10
− Robot đo khí độc hại Tocomfinder để kiểm tra khí metal ở cửa gió thải trước
khi cho công nhân vào hầm lò (KHCN - 04 - 04 - 01)
− Hệ thống chuẩn khí metal (KHCN - 04 - 04 - 01)
− Các hệ SCADA phục vụ cho bảo đảm môi trường nuôi trồng thuỷ sản (KHCN -
04 - 01)
− Các hệ SCADA phục vụ cho ngành năng lượng, hoá chất, dầu khí đã đưa vào
ứng dụng có hiệu quả (KHCN-04-07, KHCN-04-11, KHCN-04-14)
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
6
II. TÓM LƯỢC CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỀ TÀI
1. Các nội dung khảo sát, nghiên cứu
Trong quá trình thực hiện đề tài, các cán bộ đề tài đã tiến hành khảo sát và nghiên
cứu một số nội dung sau:
1. Khảo sát tình hình tại các mỏ than trong Tổng Công ty than Việt Nam như mỏ
than Hà Lầm, mỏ than Mông Dương, mỏ than Vàng Danh và mỏ than Mạo
Khê, cụ thể về các nội dung sau:
− Tình hình hoạt động sản xuất và công nghệ khai thác ở các mỏ than hầm lò liên
quan đến môi trường làm việc
− Công nghệ khai thác tại các mỏ than
− Hệ thống thông gió
− Ảnh hưởng của điều kiện môi trường tới các thiết bị phục vụ sản xuất như
+ Độ ẩm, nhiệt độ
+ Môi trường hóa học có hoạt tính cao
+ Môi trường có các loại khí độc, khí cháy nổ
2. Khảo sát một số vấn đề về an toàn lao động trong khai thác hầm lò, bao gồm
− Công tác an toàn và thực trạng an toàn ở các mỏ
− Độ chứa khí tự nhiên ở một số mỏ
− Các công tác bảo đảm an toàn
3. Khảo sát vấn đề về phòng chống cháy nổ trong khai thác hầm lò, đặc biệt đối
với khí mêtan (CH4) là loại khí nguy hiểm nhất thường xuất hiện đặc biệt là khi
khai thác xuống sâu cũng như nghiên cứu tình hình xuất khí mêtan trong các
mỏ than hiện nay.
4. Khảo sát một số vấn đề liên quan đến môi trường độc hại như:
− Một số yếu tố khí độc: khí cacbon-monoxit (CO), khí sulfuroxit (SOx), khí
cacbonic (CO2).
− Vấn đề về thoát khí trong khai thác dưới 3 dạng:
+ Dạng thoát khí thông thường
+ Dạng xì khí mêtan trong lò
+ Dạng phụt khí và than
Từ đó đề tài đã đề xuất các thông số môi trường cần kiểm soát trong khai
thác hầm lò là: Khí mêtan, khí CO, CO2, tốc độ gió (lưu lượng gió), nhiệt
độ, độ ẩm, O2.
5. Nghiên cứu yêu cầu về an toàn phòng chống cháy nổ và điều kiện làm việc của
các thiết bị điện trong khai thác mỏ hầm lò bao gồm:
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
7
− Phân loại thiết bị điện trong hầm mỏ
− Các yêu cầu đối với thiết bị điện trong hầm lò:
+ Vận hành an toàn
+ Độ tin cậy
+ Tính cơ động
6. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và yêu cầu của các cảm biến khí gồm:
− Cơ sở lý thuyết các cảm biến khí (CH4, CO2, O2 và CO).
− Yêu cầu của các cảm biến khí
− Các phương pháp cảm biến khí:
+ Đo bằng phương pháp hấp thụ tia hồng ngoại (dùng cho đo khí CH4 và CO)
+ Phương pháp bán dẫn
+ Cảm biến áp điện thạch anh
+ Phương pháp quang phổ phát xạ
+ Cảm biến đốt xúc tác (catalytic)
+ Phương pháp điện-hóa
Trên cơ sở đó đề tài đã lựa chọn các một số loại sensor đo khí phục vụ cho thử
nghiệm hệ thống như sau:
+ Sensor đo khí CO: sử dụng sensor loại NAP 701 của hãng Nemoto (Nhật)
làm việc theo nguyên lý điện hoá.
+ Sensor đo khí CH4: lựa chọn loại NAP 100AD do hãng Nemoto chế tạo
7. Khảo sát hiện trạng về các thiết bị đo khí trong Tổng Công ty than Việt Nam,
bao gồm:
− Máy đo xách tay
− Hệ thống đo cảnh báo tự động
+ Hệ thống monitoring của Ba Lan
+ Hệ thống monitoring của Nhật Bản
2. Thiết kế hệ thống SCADA
2.1. Cơ sở, quan điểm thiết kế các thành phần trong hệ thống
Cơ sở chung thiết kế hệ thống
Các vấn đề về cơ sở khi thiết kế hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác
hầm lò đã được đặt ra như sau:
Tính mở của hệ thống: cho phép mở rộng, nối ghép thêm các loại thiết bị khác
nhau và phát triển thêm các chức năng phần mềm quản lý, điều hành chung
trên cùng hệ thống.
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
8
Tính linh hoạt của hệ thống: hệ thống phải cho phép dễ dàng loại bỏ các thành
phần trong hệ thống phù hợp với yêu cầu thực tế trong khai thác hầm lò cũng
như dễ dàng thay đổi, mở rộng hệ thống, quản lý và cấu hình lại hệ thống tùy
vào điều kiện của cơ sở ứng dụng
Tính đa dạng trong truyền thông: hệ thống phải hỗ trợ nhiều môi trường truyền
thông khác nhau như dùng dây dẫn điện (Profibus, cáp điện thoại, ...), cáp
quang (Profibus), sóng vô tuyến (radio)
Tính thống nhất: thể hiện trong xây dựng các giao diện phần mềm, giao thức
truyền thông giữa các trạm làm việc trong hệ thống
Tính thích ứng: hệ thống phải là một bộ phận trong hệ thống tự động hóa quản
lý, điều hành chung của toàn mỏ sau này
Trên cơ sở yêu cầu đặt ra, hệ thống được xây dựng trên cơ sở mô hình phân cấp,
theo đó được phân thành hai cấp sau:
Cấp điều hành quản lý: bao gồm hệ thống trạm chủ đặt tại TT điều hành SX
và các máy tính được phép truy cập tới dữ liệu trên trạm chủ thông qua
mạng LAN.
Cấp thiết bị: Trạm thiết bị đo phân tán (đo, cảnh báo và điều khiển) đặt
trong hầm lò (thiết bị cần thiết phải đảm bảo được các yêu cầu về phòng
chống cháy nổ và làm việc trong điều kiện khắc nghiệt).
2.2. Cấu trúc các thành phần trong hệ thống
Hệ thống được thiết kế bám theo cấu trúc phân cấp hệ thống (Hình 1) và bao gồm
các thành phần sau:
Hệ thống trạm thiết bị chủ
Hệ thống trạm thiết bị đo phân tán
Hệ thống ghép nối truyền thông
Cấu trúc hệ thống trạm thiết bị chủ
Mô hình chung một trạm thiết bị chủ thông thường đặt tại TT giám sát điều hành
(Hình 1) bao gồm các thành phần chính sau:
Trạm thiết bị chủ điều khiển VIAG-MCSxx
Máy tính chủ giám sát điều hành PC-Server
Các máy tính trạm Operator
Cấu hình của trạm chủ được thiết kế theo 2 dạng sau:
PC-based + Communication Module: Sử dụng máy tính (I)PC kết hợp với
module truyền thông mạng công nghiệp và phần mềm điều khiển thời gian thực
(mềm) làm cơ sở để xây dựng trạm thiết bị chủ điều hành.
PLC-based: Sử dụng PLC làm cơ sở để xây dựng hệ thống (Hình 2).
LAN
Mạng máy tính nội bộ (LAN)
Network
Link/conv.
Các hệ thống khác
KHU VỰC HẦM LÒ Profibus (RS 485 / FO)
Trạm thiết bị
đo 1
08 kênh đo/điểm đo:
1. CH4
2. T
...
8. Tốc độ gió
.
.
.
Điểm đo 1
08 thông số
Điểm đo 16
08 thông số
Trạm thiết bị
đo k
R
Kiểu truyền khác
Trạm thiết bị
đo m
Trạm thiết bị đo n
Cấu hình hệ thống:
. Tổng số trạm thiết bị
đo: max. 8/16
. Số điểm đo/trạm:
max. 16
. Số lượng thông số
đo/trạm: max. 8
TT GIÁM SÁT, ĐIỀU HÀNH
RS 485 / FO
PC
Server
Operators (option)
R
Trạm thiết bị chủ
VIAG-MCSxx
Kết nối mạng
Profibus
(RS485/FO)
Kiểu truyền khác
Hình 1 : Sơ đồ tổng thể hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 9
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
10
TT GIÁM SÁT, ĐIỀU HÀNH
RS 485 / FO
PC-Server configuration:
. PC-based control (WinAC)
. WinCC/Protool Pro HMI software
. Profibus CP5613 (DP-Master)
Operators (option)
Kết nối mạng
Profibus
(RS485/FO)
Kiểu truyền khác
R
Hình 2 : Cấu hình trạm thiết bị chủ giản đơn
Cấu trúc hệ thống trạm thiết bị phân tán
Đặc điểm chung của trạm thiết bị đo phân tán:
Số lượng điểm đo trên một trạm: max. 16 điểm đo (mỗi điểm đo được hiểu
là gồm nhiều kênh đo các loại thông số giống và/hoặc khác nhau tại cùng
một vị trí quy ước về mặt quản lý)
Số lượng kênh đo trên một điểm đo: max. 8 kênh (mỗi kênh đo được hiểu là
chỉ đo được một thông số)
Số lượng loại thông số đo trên 1 trạm DP-Slave: max. 8 loại thông số (khi
đó mỗi kênh đo trên cùng một điểm đo sẽ đo 1 loại thông số khác nhau)
Giao diện HMI: tại chỗ và hỗ trợ thông qua thiết bị cầm tay (jack cắm)
Hỗ trợ giao diện mạng liên kết các đầu đo (tùy chọn)
Hỗ trợ các dạng truyền thông với trạm chủ tùy vào ứng dụng cụ thể (như
mạng Profibus, mạng thoại, vô tuyến)
Nguồn điện: 127V và ắc quy dự phòng
Thiết bị đảm bảo các tiêu chẩn về an toàn thiết bị điện trong hầm lò.
Hệ thống ghép nối truyền thông
Truyền thông trong phân cấp quản lý: sử dụng máy tính chủ PC-Server giao
diện với tầng quản lý chung (cấp mỏ/công ty) qua mạng nội bộ LAN.
Truyền thông trong trung tâm giám sát, điều hành:
Mạng Profibus: sử dụng (kết hợp) các dạng môi trường truyền cáp điện
(RS485) và cáp quang (glass/plastic FO)
Mạng Ethernet công nghiệp: sử dụng cáp đồng trục hoặc cáp quang
Truyền thông giữa trạm thiết bị chủ VIAG-MCSxx với các trạm thiết bị đo:
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
11
Mạng Profibus-DP
Truyền thông qua mạng điện thoại (nội bộ) dưới hầm lò
Truyền không dây (sử dụng loại modem không dây)
Truyền thông qua mạng Profibus-DP sử dụng phương pháp chuyển đổi giao
thức tại chỗ (Profibus-DP/RS232)
3. Thiết kế mô hình hệ thống và TT điều hành
3.1. Mô hình và các giao diện nối ghép trong hệ thống
Mô hình chung hệ thống thử nghiệm được trình bày trên Hình 3 bao gồm:
Trung tâm điều hành: được xây dựng bao gồm các thành phần sau
Trạm thiết bị chủ VIAG-MCS05: xây dựng trên cơ sở PLC SIMATIC S7-
300 có chức năng giám sát, điều hành hoạt động liên tục của các trạm thiết
bị đo bên dưới.
Trạm máy tính PC-Server: sử dụng máy tính Pentium 3/4, tốc độ từ 1GHz
trở lên, bộ nhớ min. 256 MB RAM, HDD 20GB, hệ điều hành Windows
NT 4.0 hoặc Windows 2000.
Các trạm thiết bị đo: số lượng 04 trạm trong đó mỗi trạm được kết nối với trạm
thiết bị chủ theo các phương thức ghép nối khác nhau.
Nối ghép hệ thống:
Nối ghép giữa thiết bị VIAG-MCS05 với PC-Server: sử dụng đường truyền
RS485 theo chuẩn hóa MPI của Siemens.
Nối ghép giữa VIAG-MCS05 với các thiết bị đo: sử dụng hai kiểu truyền
chính là RS485/FO (cáp quang) và RS232 kết nối modem truyền qua mạng
thoại. Kiểu truyền RS485/FO cho kết nối 02 trạm thiết bị đo số 1 và số 2
vào mạng Profibus, trong đó trạm số 1 nối trực tiếp với mạng cáp quang
Profibus-DP qua bộ OLM (Optical Link Module), trạm số 2 nối với mạng
cáp quang thông qua bộ chuyển đổi DP-RS232. Đối với kết nối trực tiếp
RS232 cũng sẽ thực hiện theo 2 kiểu truyền thông sử dụng modem quay số
qua mạng điện thoại nội bộ (trạm số 3) và sử dụng modem chuyên dụng
không dây (trạm số 4).
Địa chỉ trạm trong mạng MPI
Địa chỉ trạm mạng Profibus-DP
Các ký hiệu
1
2
KHU VỰC HẦM LÒ
RS 485 RS 232 RS 232
Profibus-DP (FO)
Trạm thiết bị
đo số 1
08 kênh đo/điểm đo:
1. CH4
2. T
...
8. Tốc độ gió
.
.
.
Điểm đo 1
08 thông số
Điểm đo n
08 thông số
Cấu hình hệ thống:
. Tổng số trạm thiết bị thử
nghiệm: 03÷04 trạm
. Số điểm đo/trạm: max. 16
. Số lượng thông số đo/trạm:
max. 8
5 6
Trạm thiết bị
đo số 2
7
Trạm thiết bị
đo số 3
ModemOLM DP/RS232
TT GIÁM SÁT, ĐIỀU HÀNH
Profibus (RS 485)
Optical Link
Module
RS 232
LAN MPI (RS 485)
PC
Server
Operators (option)
2
Trạm thiết bị chủ
VIAG-MCS05
OLM Modem
2
1
Profibus (FO)
Mạng thoại
Hình 3 : Mô hình thử nghiệm hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò tại phòng thí nghiệm
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 12
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
13
3.2. Trạm thiết bị chủ VIAG-MCS05 và cấu hình PC-Server trong mô hình
Trạm thiết bị chủ VIAG-MCS05 thiết kế bao gồm các thành phần sau (Hình 4):
TT GIÁM SÁT, ĐIỀU HÀNH
Profibus (RS 485)
Optical Link
Module
OLM-G12
RS 232
MPI (RS 485)
2
Trạm thiết bị chủ
VIAG-MCS05
Modem
2
Profibus-DP
(Glass Fiber Optic)
CPU315
-2DP
SM323
16/16
DI/DO
CP340
CP341
(x2)
OLM
PC
Server
1
3
Telephone
network
Operators
(PC Clients)
5 6 7 8
Tới các trạm thiết bị đo
Hình 4 : Trạm thiết bị chủ VIAG-MCS05 và PC-Server
Bộ điều khiển: sử dụng PLC SIMATIC S7-300 CPU315-2DP hỗ trợ các giao
thức truyền thông MPI (dùng cho kết nối với máy tính PC-Server) và Profibus-
DP (phục vụ kết nối với các trạm thiết bị đo qua mạng cáp quang).
Module truyền thông CP340/CP341: dùng cho kết nối PLC với thiết bị đo qua
cổng RS232 và modem (hữu tuyến và vô tuyến).
Module SM323: cung cấp 16/16 đầu vào/ra số 24V DC phục vụ giao diện với
các tín hiệu vào (đặt chế độ hoạt động, các tín hiệu kiểm tra, ...) và đưa ra các
tín hiệu điều khiển (đèn/còi cảnh báo, báo động, điều khiển tại chỗ các thiết bị
khác, ...)
Giao diện HMI tại chỗ sử dụng bộ thao tác màn hình sờ TP170 cho phép theo
dõi, chỉnh định các thông số làm việc trực tiếp.
Module giao diện mạng cáp quang Profibus: sử dụng module OLM-G12 cho
phép liên kết mạng dây dẫn RS485 với mạng cáp quang sử dụng loại cáp quang
sợi thủy tinh (glass FO)
từ 1 đến 4 tương ứng
địa chỉ DP từ 5 đến 8
CP5611/5613
Touch Panel
TP170
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
14
Phần mềm ứng dụng xây dựng cho CPU315-2DP được thiết kế sử dụng kết hợp
các ngôn ngữ lập trình STL (Statement List) và SCL (Structured Control
Language) trong bộ phần mềm STEP 7 Professional V5.
3.3. Thiết kế giao thức truyền thông
Giao thức truyền thông KC.03.04-PB phiên bản v1.0 được xây dựng cho phép trao
đổi số liệu giữa trạm chủ PLC (DP-Master) với các trạm thiết bị đo (DP-Slave)
qua mạng Profibus-DP. Giao thức hỗ trợ truyền thông giữa DP-Master với các
DP-Slave trong mô hình mạng được xây dựng có cấu trúc như sau:
Số lượng trạm chủ DP-Master: 01 trạm
Số lượng các trạm DP-Slave: 08 trạm, khả năng mở rộng tới 16 trạm và được
ký hiệu từ DP-Slave-1 đến DP-Slave-16
Số điểm đo trên một trạm: max. 16 điểm đo (mỗi điểm đo được hiểu là gồm
nhiều kênh đo các loại thông số giống và/hoặc khác nhau tại cùng một vị trí
quy ước về mặt quản lý)
Số lượng kênh đo trên một điểm đo: max. 8 kênh (mỗi kênh đo được hiểu là
chỉ đo được một thông số)
Số lượng loại thông số đo trên 1 trạm DP-Slave: max. 8 loại thông số (khi
đó mỗi kênh đo trên cùng một điểm đo sẽ đo 1 loại thông số khác nhau)
Như vậy tổng số các điểm đo trong toàn hệ thống là 128 (mở rộng 256) điểm đo,
trong đó các điểm đo (hay các vị trí đo) nối với cùng một DP-Slave có thể đo tới 8
loại thông số.
Thiết lập các thông số và các thành phần hoạt động trong hệ thống đảm bảo các
yêu cầu của chuẩn hóa EN 50170 Vol. 2 (DP Master or DP Slave) đề ra và được
xác định trong hệ thống này như sau:
Profile: DP, tốc độ truyền: 9.6 kbps ÷ 1.5 Mbps (mặc định 500 kbps)
Trạm DP-Master: Độ lớn của DP-I/O buffer cho phép tới 1024/1024 bytes
đối với mỗi vùng.
Các trạm DP-Slave: Độ lớn của DP-I/O buffer theo một trong các dạng sau:
64/64 bytes hoặc 32/32 từ (word) hoặc 16/16 từ kép (double word).
3.4. Thiết kế phần mềm quản lý, điều hành SLabS-Mining trên PC-Server
Xây dựng các chức năng phần mềm
Phần mềm SLabS-Mining (SCADA System of Labour Safety in Coal Mining) trên
PC được thiết kế, xây dựng trên nền phần mềm SCADA mở của hãng Siemens là
SIMATIC WinCC V5. Phần mềm quản lý điều hành có nhiệm vụ sau:
Quản lý toàn bộ các thông tin về cấu hình hệ thống như số lượng, cấu hình các
trạm thiết bị đo, điểm đo, vị trí điểm đo, các thông số đo tại các điểm đo, thời
gian hệ thống, trạng thái hoạt động hiện thời của các thiết bị đo và đầu đo, ...
Quản lý đồng thời các nhiệm vụ giám sát và điều khiển theo các bài (sau đây
được gọi là các bài Task). Các bài Task có thể cấu hình, sửa đổi, lưu trữ, kích
hoạt khi cần.
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
15
Tự động giám sát, cảnh báo (warning), báo động (alarming) khi có sự cố xảy ra
ở các trạm thiết bị đo và đầu đo (như không kết nối được, lỗi đường truyền, ...)
cũng như khi có 1 hoặc nhiều thông số đo nằm ngoài các dải đo cho phép.
Trên cơ sở đó hệ thống phần mềm được thiết kế bao gồm các chức năng chính với
cấu trúc xây dựng như sau:
Chức năng quản lý các nhiệm vụ hay các bài Task
Chức năng thực thi các nhiệm vụ trực tuyến
Chức năng quản lý và cấu hình hệ thống
Chức năng giám sát, cảnh báo chung
Các chức năng khác
Thiết kế cơ sở dữ liệu
Trên cơ sở các chức năng nêu trên, nhóm đề tài đã xây dựng, kiến trúc cơ sở dữ
liệu (CSDL) trong WinCC. CSDL này được thiết kế trên nền chức năng User
Archive trong WinCC. Đây là một tính năng quản lý CSDL cho phép người dùng
sử dụng và kiến trúc CSDL riêng của mình tùy thuộc vào yêu cầu riêng trong các
ứng dụng tự động hóa. Các cấu trúc dữ liệu chính bao gồm:
Project_Online
Task_Group, Task_Storage, Task_Task
PLC_CFG
STA_CFG
MP_LOC_Table
PAR_UN_Table
Task_xxxxx
4. Thiết kế các trạm thiết bị đo phân tán
4.1. Thiết kế các trạm thiết bị đo
Trên cơ sở các tính năng cần đạt được như trên chúng tôi đưa ra thiết kế hệ thống
cho một trạm làm việc theo các module với sơ đồ khối như Hình 5, trong đó:
Module DP dùng để giao tiếp với Trung tâm điều khiển (TTĐK)
Module COMM dùng cho giao tiếp với các điểm đo
Module Display dùng để hiển thị giá trị đo và dùng cho keyboard
Module PC dùng để giao tiếp với máy tính
Trạm làm được thiết kế theo hai dạng chính:
− Dạng hiện đại: Dùng PLC (dùng cho những nơi có yêu cầu đòi hỏi chất lượng
cũng như tốc độ truyền thông cao), loại này có giá thành cao.
− Loại giá thành thấp: Dùng linh kiện rời rạc, tự thiết kế, lắp ráp (dùng cho các
hệ thống yêu cầu giá thành thấp – low cost)
Module
DP
Module
COMM
Module
Display
Module
PC
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
16
NGUỒN NUÔI
Hình 5 : Sơ đồ module của một trạm làm việc
Các trạm làm việc được thiết kế theo nguyên tắc đa xử lý: Mỗi module đều sử
dụng một vi xử lý riêng (do các chip hiện có tốc độ thấp). Tuy nhiên sơ đồ tổng
quát của một trạm làm việc có thể quy về sơ đồ khối tương đương như Hình 6.
Đến
các
điểm
đo
CPU
Nguồn nuôi
ROM
&
RAM
ngoài
Máy in
Báo hiệu
(Chuông, đèn)
Phối ghép về
TTĐK
Điều chế, Giải
điều chế FSK
PC
Kênh
truyền
Hiển thị&bàn phím
Đến
TTĐK
Hình 6 : Sơ đồ khối tương đương của trạm làm việc
Quá trình trao đổi thông tin của các trạm làm việc gồm có hai quá trình chính:
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
17
Trao đổi thông tin với các điểm đo
Trao đổi thông tin với trung tâm điều khiển
Để thực hiện trao đổi thông tin từ trạm làm việc với các điểm đo hiện nay chúng
tôi sử dụng hai phương pháp:
Phương pháp FSK (Frequency Shift Key)
Truyền dẫn theo chuẩn RS-485
Hiện nay chúng tôi chế tạo được 4 trạm làm việc sử dụng 4 phương pháp kết nối
khác nhau là:
Trạm DCS01: dùng mạng thoại có sẵn bằng modem thông thường loại US
Robotic 3Com 56K.
Trạm DCS02: dùng thu phát vô tuyến (máy phát ICOM và modem Kantronic).
Trạm DCS03: qua module chuyển đổi RS232/ Profibus-DP (dùng cáp quang).
Trạm DCS04: trực tiếp qua mạng Profibus-DP.
Hình 7 : Một số hình ảnh về các trạm làm việc đã thiết kế, chế tạo
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
18
4.2. Thiết kế phần cứng điểm đo
Điểm đo được thiết kế với sơ đồ khối như sau (Hình 8):
WS
MUX
CPU
Nguồn nuôi
ROM
&
RAM
ngoài
Điều khiển các
thiết bị chấp hành
Báo hiệu
(Chuông, đèn)
Kênh
truyền
Điều chế và giải
điều chế FSK
KĐ&CH
KĐ&CH
Sensor 1
Sensor n
ADC
Hình 8 : Sơ đồ khối điểm đo
Trong đó:
S1 ÷ Sn: là các sensor đo các thông số khác nhau
KĐ&CH: Mạch khuếch đại và chuẩn hoá
MUX: mạch dồn kênh để chọn sensor đưa giá trị đo vào mạch vi xử lí
ADC: Dùng loại ADC 12 bit để nâng cao độ chính xác
CCCH: Cơ cấu chấp hành để nhận lệnh điều khiển từ trạm làm việc đưa ra
hoặc từ trung tâm gửi tới
Trường hợp muốn truyền đi xa ta có thể truyền trực tiếp tín hiệu sau điều
chế FSK hoặc tín hiệu sau modem
Báo hiệu tại chỗ dựng còi và đèn nhấp nháy
CPU dùng loại vi xử lí 8 bit hoặc 16 bit thông dụng
Điểm đo được thiết kế theo tiêu chuẩn TCVN 7079-0 & 7079-11. Điểm đo đã
được Cục Kỹ thuật an toàn Công nghiệp - Bộ Công nghiệp kiểm định và cấp
chứng nhận đạt tiêu chuẩn TCVN 6734-2000 về thiết bị điện phòng nổ.
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
19
Sau đây là hình ảnh về điểm đo đưa xuống thử nghiệm tại hầm lò:
Lưới bảo vệ và quai treo
Hộp sensor
Gioăng chống ẩm
Thân điểm đo
Hình 9 : Điểm đo sử dụng
4.3. Thiết kế thiết bị đo khí mêtan cầm tay
Sau khi đi khảo sát chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo thiết bị đo khí mêtan cầm tay
(đây cũng là sản phẩm không có trong đăng ký đề tài). Thiết bị đo khí mêtan cầm
tay là một dạng thiết bị đầu cuối của hệ thống SCADA tổng quát. Thiết bị được
thiết kế theo sơ đồ khối trên Hình 10, trong đó:
Sensor (đo khí CH4): chuyển đổi nồng độ khí CH4 thành tín hiệu điện.
KĐCH: khuếch đại và chuẩn hóa tín hiệu từ sensor.
ADC: ADC 12 bit chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số đưa vào
microcontroller.
CPU: Thu nhận tín hiệu từ ADC, xử lí, đưa ra hiển thị, cảnh báo và lưu giữ
số liệu đo. Vi xử lý đang dùng là loại 8 bit họ 8051.
Phần báo hiệu: Dùng còi chip và đèn Led nhấp nháy khi nồng độ CH4 vượt
quá ngưỡng cho phép
Phần nguồn: Cung cấp điện áp cho toàn bộ các phần của thiết bị.
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
20
ADC
cpu
Nguån
B¸o hiÖu
Chu«ng , ®Ìn
HiÓn thÞ
KĐ &
CH
Sensor
Hình 10 : Sơ đồ khối thiết bị đo khí mêtan cầm tay VIELINA-ĐCT01
Thiết bị đo khí mêtan cầm tay đã được chúng tôi thiết kế và hiệu chỉnh qua nhiều
thế hệ, sau đây là hình ảnh một sản phẩm cụ thể:
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
21
4.4. Thiết kế phần mềm
Phần mềm trạm làm việc
Trạm làm việc có nhiệm vụ quản lý và điều khiển một số điểm đo xác định, đồng
thời là trạm trung chuyển để truyền lệnh điều khiển từ TTĐK đến các điểm đo
cũng như phải gửi kết quả đo tại các điểm về TTĐK. Với nhiệm vụ như vậy phần
mềm điều khiển cho trạm làm việc phải gồm một số chức năng chính như sau:
Kiểm tra hệ thống, xác định cấu hình (phần do mình quản lý)
Hiển thị kết quả đo tại các điểm đo và báo động tại chỗ
Trao đổi thông tin với máy tính, điều khiển phím bấm.
Trao đổi thông tin với các điểm đo.
Trao đổi thông tin với TTĐK
Giao thức truyền thông xây dựng cho trạm DCS0.x với các điểm đo (MPi) trên cơ
sở chuẩn truyền thông công nghiệp RS485. Mô hình mạng xây dựng với một trạm
chủ và nhiều trạm tớ: Master là DCS, các Slave là các điểm đo Mpi (i=1..16).
Phần mềm cho điểm đo
− Chức năng và nhiệm vụ phần mềm của các điểm đo:
n Đọc và xử lý dữ liệu từ các kênh đo.
o Nhận và truyền dữ liệu theo các dịch vụ yêu cầu từ trạm DCS.0x.
p Xử lý các tín hiệu cảnh báo từ trạm DCS.0x.
− Phần mềm sử dụng cho vi điều khiển: Trình dịch Keil version 6.0.
Phần mềm cho thiết bị đo khí mêtan cầm tay
Thiết bị đo khí mêtan cầm tay có nhiệm vụ đo nhanh nồng độ khí mêtan có tại vị
trí đo rồi đưa ra hiển thị và cảnh báo (khi vượt ngưỡng). Chương trình được viết
bằng ngôn ngữ assembler và đã được hiệu chỉnh, hoàn thiện qua nhiều thế hệ. Hiện
nay thiết bị đã đáp ứng được các yêu cầu của người sử dụng.
Phần mềm quản lý số liệu tại trạm làm việc
Để tăng thêm tính mở của hệ thống chúng tôi đã xây dựng phần mềm quản lý dữ
liệu tại trạm làm việc. Tính năng phần mềm ở đây được thiết kế như ở trạm chủ
(tất nhiên với số điểm đo quản lý ít hơn) và được viết bằng ngôn ngữ Visual Basic
và Visual C++. Phần chương trình này cũng là phần làm thêm của đề tài so với
đăng ký ban đầu để đáp ứng yêu cầu của người sử dụng.
5. Thử nghiệm hệ thống tại phòng thí nghiệm
5.1. Mục tiêu, nội dung thử nghiệm
Mục tiêu thử nghiệm
Đánh giá độ tin cậy, hoạt động ổn định của toàn bộ hệ thống thiết bị phần cứng
cũng như chương trình phần mềm khi nối ghép trong cùng một hệ thống và
hoạt động liên tục dài ngày.
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
22
Kiểm tra, hoàn thiện lại thiết kế và các chức năng phần cứng, phần mềm trong
toàn hệ thống.
Làm cơ sở căn cứ để có thể đánh giá, hoàn thiện trước khi đưa hệ thống vào thử
nghiệm trong thực tế.
Nội dung thử nghiệm
Thử nghiệm hoạt động của toàn bộ hệ thống khi cấu hình và có đầy đủ các
thành phần bao gồm 01 trạm máy tính chủ, 01 thiết bị chủ VIAG-MCS05, 04
trạm thiết bị đo nối ghép theo các phương thức truyền thông khác nhau:
truyền thông qua mạng Profibus-DP sử dụng mạng cáp quang (02 trạm)
truyền thông qua cổng RS232 nối với modem quay số trực tiếp qua mạng
điện thoại nội bộ trong Viện (01 trạm)
truyền thông không dây sử dụng wireless modem (01 trạm)
Thử nghiệm toàn bộ các dịch vụ cơ bản đã thống nhất trong giao thức truyền
thông KC.03.04-PB version 1.0 nhằm kiểm tra, hoàn thiện giao thức.
Thử nghiệm các chức năng phần mềm quản lý, điều hành trên cơ sở thực hiện
các nhiệm vụ tự tạo và tín hiệu đo giả lập.
5.2. Kết quả thử nghiệm mô hình tại phòng thí nghiệm
Hệ thống thử nghiệm đã được kết nối tại phòng thí nghiệm TT Điều khiển tự động
của Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa từ ngày 17/11/2003. Sau khi lắp đặt,
chạy thử và chỉnh định các thành phần phần cứng, phần mềm, hệ thống đã được
chính thức đưa vào làm việc từ ngày 03/12/2003 và đã hoạt động liên tục cho đến
ngày 13/02/2004 (chỉ trừ thời gian nghỉ tết). Đây cũng là thời điểm chuẩn bị đưa
thiết bị xuống thử nghiệm tại cơ sở (Mỏ than Ngã Hai). Sau đây là một số kết quả
thống kê trong quá trình thử nghiệm:
− Tổng thời gian chạy hệ thống điều hành trung tâm (không tính phần thiết bị đo
chạy gần như liên tục 24/24h trong ngày): 360h.
− Tổng số các bản ghi thu được: 1627 bản ghi (chỉ tính riêng đối với nhiệm vụ
lưu số 5, lưu toàn bộ dữ liệu theo chu kỳ thay đổi từ 5 đến 60 phút và theo thời
điểm).
− Số lần báo động theo sự cố vượt ngưỡng giá trị đo giả lập: 84 lần.
− Số lần ghi lưu sự kiện cảnh báo trạng thái lỗi kết nối đường truyền (RS485
hoặc modem): 116 lần.
− Độ lớn file CSDL runtime lưu trong WinCC (*RT.DB): 5.8MB
− Độ lớn của toàn bộ project (bao gồm toàn bộ chương trình, mã code xây dựng
và CSDL) lưu trên đĩa cứng: 26 MB.
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
23
Hình 11 : Màn hình nền giám sát phục vụ thử nghiệm toàn bộ hệ thống tại phòng thí nghiệm
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
24
Hình 12 : Cấu hình trạm thiết bị chủ và trạm thiết bị đo phục vụ thử nghiệm hệ thống tại phòng thí nghiệm
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
25
Đánh giá chung
Hệ thống hoạt động ổn định, quá trình trao đổi số liệu sau khi hiệu chỉnh các
mạch truyền thông đã hoạt động tốt, không có trường hợp truyền sai số liệu.
Các chức năng phần mềm quản lý, lưu trữ số liệu theo các bài task và cảnh báo,
báo động hoạt động đúng như cấu hình đặt, cụ thể trong toàn bộ các bản ghi
lưu (116 bản ghi cảnh báo và 84 bản ghi báo động) không có bản ghi sai cũng
như không ghi lưu thiếu khi kiểm tra, đối chiếu lại với các lần giả lập sự cố.
Tuy nhiên trong quá trình thử nghiệm, hệ thống cũng cho thấy một số vấn đề cần
lưu ý khi đưa xuống thực tế như:
Tốc độ truyền dữ liệu qua modem không dây chậm do sử dụng loại modem
không dây tốc độ truyền thấp.
Do chủ ý sử dụng máy tính PC có cấu hình thấp trong đợt thử nghiệm nên thời
gian khởi động hệ thống kéo dài từ 3 đến 5 phút cũng như một số chức năng
truy cập vào CSDL RT chậm, tuy nhiên với cấu hình này cho thấy chương trình
vẫn hoạt động tin cậy, ổn định trong suốt thời gian thử nghiệm.
Có thể thấy các vấn đề trên có thể khắc phục (khi cần) bằng sử dụng cấu hình phần
cứng mạnh hơn và với kết quả này cũng cho phép khẳng định phần hệ thống đã
hoạt động đảm bảo các yêu cầu đề ra và có thể đưa xuống thử nghiệm tại cơ sở.
6. Thử nghiệm hệ thống tại mỏ than Ngã Hai
6.1. Mục tiêu, nội dung thử nghiệm
Mục tiêu thử nghiệm
Đánh giá độ tin cậy, ổn định của hệ thống thiết bị phần cứng và khả năng đáp
ứng của chương trình phần mềm phục vụ bài toán thực trong giám sát, quản lý
an toàn môi trường lao động độc hại tại mỏ than hầm lò Ngã Hai thuộc Công ty
than Bái Tử Long.
Phát hiện ra những vấn đề có thể phát sinh trong thực tế từ đó có những điều
chỉnh, bổ sung cho phù hợp với yêu cầu thực tế.
Giới thiệu, quảng bá sản phẩm của đề tài với các cơ quan quản lý chuyên ngành
và với các cơ sở khai thác nhằm tiến đến triển khai đưa được sản phẩm vào ứng
dụng.
Làm cơ sở căn cứ đánh giá, báo cáo phục vụ nghiệm thu sản phẩm và nghiệm
thu cấp cơ sở đề tài.
Nội dung thử nghiệm
¾ Phần hệ thống TT điều hành
Lắp đặt, tiến hành thử nghiệm hoạt động của hệ thống bao gồm 01 trạm máy
tính chủ, 01 thiết bị chủ VIAG-MCS05, 01 trạm thiết bị đo nối ghép qua đường
điện thoại nội bộ tại mỏ than Ngã Hai.
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
26
Thử nghiệm các chức năng phần mềm quản lý, điều hành trên cơ sở đáp ứng
được các yêu cầu thực tế của mỏ than.
Lưu trữ, tổng hợp các số liệu phục vụ kiểm tra, đối chiếu với các kết quả đo do
Công ty than Bái Tử Long tiến hành độc lập riêng.
¾ Phần trạm thiết bị đo phân tán
Xác định được độ chính xác, độ tin cậy và độ ổn định hoạt động của hệ thống
Cảnh báo được các hiểm hoạ khi các yếu tố giám sát đạt tới ngưỡng báo động
Yêu cầu:
Phải đảm bảo an toàn
Đảm bộ độ trung thực, chính xác của các số liệu thu được
Thuận tiện, dễ sử dụng, không ảnh hưởng tới quá trình sản xuất của khai
trường
Được nhiều cơ quan chức năng theo dõi, kiểm tra, đánh giá chất lượng và
tính tin cậy của hệ thống
6.2. Kết quả thử nghiệm và đánh giá
Phần hệ thống TT điều hành
Thử nghiệm được tiến hành từ ngày 17/02/2004 đến 24/03/2004 tại mỏ than Ngã
Hai, Công ty than Bái Tử Long. Sau đây là thống kê các dữ liệu thu được:
− Số bản ghi dữ liệu có nghĩa: 5438 bản ghi
− Số lần báo động vượt ngưỡng CH4: 15 lần
− Số lần cảnh báo ngắt kết nối VIAG-MCS05: 18 lần
− Số lần cảnh báo ngắt kết nối với DCS01 (DPS03): 65 lần
Một số sự cố trong quá trình thử nghiệm cũng đã được khắc phục kịp thời, đa phần
là do lỗi đường dây điện thoại nội bộ (bị đứt hoặc không nối với modem) và của
người sử dụng chương trình không theo các quy định đề ra.
Đánh giá kết quả
Thiết bị trạm chủ điều hành trung tâm hoạt động ổn định, các lần cảnh báo, báo
động đều chính xác, kịp thời và đã góp phần không nhỏ phục vụ kịp thời công
tác an toàn của mỏ than (Các trường hợp báo động vượt ngưỡng CH4 đều được
kiểm chứng lại thông qua số liệu đo của thiết bị đo cầm tay và sổ ghi nhiệm vụ
sản xuất như xảy ra nổ mìn hoặc chế độ làm việc của quạt thông gió).
Phần mềm hệ thống đã đáp ứng được các yêu cầu cơ bản phục vụ công tác an
toàn lao động đặc biệt các số liệu lưu trữ và cách thức thể hiện dưới dạng đồ thị
cho phép đánh giá sớm được chiều hướng, mức độ độc hại cũng như nguy cơ
cháy nổ khí tại mỏ từ đó giúp các cán bộ an toàn mỏ lập kế hoạch khai thác cho
phù hợp.
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
27
Quá trình thử nghiệm thực tế cũng cho thấy một số vấn đề, nguyên nhân và biện
pháp giải quyết như sau:
Do kết nối hệ thống qua mạng điện thoại dùng chung với hệ thống điều hành
sản xuất của mỏ nên số lần gián đoạn truyền số liệu nhiều. Để không bị ảnh
hưởng cần sử dụng đường cáp truyền riêng.
Do thời gian thử nghiệm ngắn nên việc đào tạo sử dụng cho cán bộ vận hành
chạy thử ngắn ngày dẫn đến một số trục trặc ban đầu.
Cần bổ sung một số chức năng như in ấn các báo cáo theo mẫu của mỏ than,
hiện chưa thực hiện được do cấu hình thử nghiệm không trang bị máy in.
Cần bổ sung thêm chức năng đặt các giá trị ngưỡng cảnh báo từ PC do các giá
trị này có thể phải thay đổi trong từng giai đoạn khai thác (Hiện chức năng này
đã được chúng tôi bổ sung).
Phần các thiết bị đo
Quá trình thử nghiệm tại thực tế diễn ra như sau:
− Ngày 11 tháng 2 VIELINA đưa hệ thống gồm 01 trạm làm việc, 03 điểm đo,
cáp tín hiệu và các thiết bị khác xuống triển khai tại Vỉa 7 đông nam. Ngày
12/2/2004 bắt đầu triển khai lắp đặt.
− Ngày 14/2/2004 thì hệ thống triển khai xong và hệ thống hoạt động ngay.
− Ngày 16/2/2004 VIELINA đưa thêm 01 trạm chủ đến phòng điều hành sản xuất
(Khu B) và cài đặt trạm chủ đưa vào hoạt động.
− Ngày 17/2 kết nối xong toàn bộ hệ thống và hệ thống đưa vào hoạt động ổn
định ngay.
− Nhưng sau đó đường điện thoại từ trung tâm điều khiển xuống vỉa V7 hay bị
trục trặc cũng như nhiều lúc cần lấy số liệu sản xuất từ các phân xưởng nên hệ
thống chưa được kết nối thường xuyên. Tuy nhiên phần thiết bị đầu cuối thì
vẫn làm việc liên tục.
¾ Kết quả thử nghiệm
Nhận xét về các số liệu và hoạt động của hệ thống:
− Các số liệu được so sánh có khoảng sai số giữa các số liệu từ 0% đến 0.2%
trung bình khoảng 0.1%. Điều này có thể do vị trí lấy mẫu cũng như cách lấy
mẫu khí có thể khác do với điểm đo của hệ thống. Sai số này có thể chấp nhận
được và hoàn toàn có thể hiệu chỉnh cho chính xác hơn được nữa.
− Có một số thời điểm hệ thống có báo động, qua kiểm tra thì đây là báo động
đúng không phải báo động nhầm. Nguyên nhân các đợt báo động thường là do
thông thượng hoặc mất thông gió cục bộ
− Hệ thống hoạt động ổn định từ điểm đo, trạm làm việc đến trạm chủ tất cả đều
làm việc 24/24h trong quá trình thử nghiệm.
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
28
Hình 13 : Màn hình nền giám sát các điểm đo thử nghiệm tại mỏ than Ngã Hai – Bái Tử Long
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
29
Hình 14 : Hiển thị một số số liệu lưu trong quá trình thử nghiệm tại mỏ than Ngã Hai – Bái Tử Long
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò
VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
30
Tóm lại: Hệ thống đưa xuống thử nghiệm tại vỉa V7 đông nam thuộc Xí nghiệp
xây lắp và sản xuất than Ngã Hai, Công ty than Bái Tử Long từ ngày 12/2/2004
đến nay vẫn còn một trạm làm việc và 3 điểm đo vẫn được tiếp tục thử nghiệm. Hệ
thống thử nghiệm đã đáp ứng tốt các yêu cầu của người sử dụng, làm việc rất ổn
định, tin cậy và được đánh giá là hiện đại hơn các hệ thống của Nhật và Ba Lan
hiện đang có tại Công ty than Mạo Khê (xem báo cáo của Công ty than Bái Tử
Long gửi Tông Công ty Than Việt Nam số 239/BC-KQ ngày 30 tháng 3 năm 2004
trong phụ lục). Hiện nay chúng tôi đang làm thủ tục đề nghị Cục kỹ thuật an toàn
Công nghiệp - Bộ Công nghiệp quyết định cho phép sản xuất hàng loạt để đưa vào
sử dụng rộng rãi trong thực tế.
Với các kết quả đã thu được của đề tài và các văn bản pháp lý liên quan tới các
thiết bị cho phép chúng tôi có đủ cơ sở để triển khai đưa hệ thống vào ứng dụng
rộng rãi trong thực tế góp phần đảm bảo an toàn cho người lao động.
III. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Trong quá trình thực hiện các nhiệm vụ chủ yếu của đề tài đã được quy định trong
hợp đồng ký kết giữa chủ nhiệm đề tài KC.03.04 và BCN chương trình, chúng tôi
đã có được những kết quả khoa học đáng kể sau đây:
Xây dựng đầy đủ phương pháp luận để phân tích và tổng hợp hệ thống SCADA
làm việc trong điều kiện môi trường đặc thù và khắc nghiệt của các mỏ than
hầm lò.
Xây dựng phương pháp chống nhiễu cho hệ thống SCADA, đặc biệt là các hệ
thống truyền tin. Các phương pháp chống nhiễu được hình thành trên cơ sở áp
dụng sáng tạo triển khai Wavelet.
Tạo ra phương pháp luận thiết kế bảo đảm độ tin cậy cao của toàn bộ hệ thống.
Xây dựng logic chặt chẽ trong việc tạo ra các phầm mềm quản lý hệ thống
cũng như phần mềm ứng dụng.
Các kết quả này đã được công bố ở 8 công trình khoa học trong và ngoài nước
(có phụ lục kèm theo phần Tài liệu tham khảo từ số [20] đến [27] trang 32).
Về đào tạo chúng tôi đã đạt được những kết quả sau:
Đào tạo lại hàng chục kỹ sư cho ngành than trong việc vận hành và làm chủ hệ
thống SCADA này.
Hai NCS đang làm luận án, chuẩn bị bảo vệ theo hướng nghiên cứu của đề tài.
Kiến nghị:
Bộ Khoa học và Công nghệ tạo điều kiện để đưa sản phẩm của Đề tài vào ứng
dụng dưới dạng Dự án Nhà nước vào năm sau.
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- 5716.pdf