Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ scada phục vụ an toàn lao động trong ngành khai thác hầm lò

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: ƒ 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. ƒ 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: ƒ 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) ƒ Số lượng kênh đo trên một điểm đo: max. 8 kênh (mỗi kênh đo được hiểu là chỉ đo được một thông số) ƒ 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) ƒ Giao diện HMI: tại chỗ và hỗ trợ thông qua thiết bị cầm tay (jack cắm) ƒ Hỗ trợ giao diện mạng liên kết các đầu đo (tùy chọn) ƒ Hỗ trợ các dạng truyền thông với trạm chủ tùy vào ứng dụng cụ thể (như mạng Profibus, mạng thoại, vô tuyến) ƒ Nguồn điện: 127V và ắc quy dự phòng ƒ 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: ƒ Mạng Profibus: sử dụng (kết hợp) các dạng môi trường truyền cáp điện (RS485) và cáp quang (glass/plastic FO) ƒ 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 ƒ Mạng Profibus-DP ƒ Truyền thông qua mạng điện thoại (nội bộ) dưới hầm lò ƒ Truyền không dây (sử dụng loại modem không dây) ƒ 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 ƒ 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. ƒ 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: ƒ Nối ghép giữa thiết bị VIAG-MCS05 với PC-Server: sử dụng đường truyền RS485 theo chuẩn hóa MPI của Siemens. ƒ 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 ƒ 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) ƒ Số lượng kênh đo trên một điểm đo: max. 8 kênh (mỗi kênh đo được hiểu là chỉ đo được một thông số) ƒ 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: ƒ Profile: DP, tốc độ truyền: 9.6 kbps ÷ 1.5 Mbps (mặc định 500 kbps) ƒ Trạm DP-Master: Độ lớn của DP-I/O buffer cho phép tới 1024/1024 bytes đối với mỗi vùng. ƒ 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: ƒ Chức năng quản lý các nhiệm vụ hay các bài Task ƒ Chức năng thực thi các nhiệm vụ trực tuyến ƒ Chức năng quản lý và cấu hình hệ thống ƒ Chức năng giám sát, cảnh báo chung ƒ 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: ƒ Project_Online ƒ Task_Group, Task_Storage, Task_Task ƒ PLC_CFG ƒ STA_CFG ƒ MP_LOC_Table ƒ PAR_UN_Table ƒ 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: ƒ Module DP dùng để giao tiếp với Trung tâm điều khiển (TTĐK) ƒ Module COMM dùng cho giao tiếp với các điểm đo ƒ Module Display dùng để hiển thị giá trị đo và dùng cho keyboard ƒ 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 ƒ Trao đổi thông tin với các điểm đo ƒ 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: ƒ Phương pháp FSK (Frequency Shift Key) ƒ 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: ƒ S1 ÷ Sn: là các sensor đo các thông số khác nhau ƒ KĐ&CH: Mạch khuếch đại và chuẩn hoá ƒ MUX: mạch dồn kênh để chọn sensor đưa giá trị đo vào mạch vi xử lí ƒ ADC: Dùng loại ADC 12 bit để nâng cao độ chính xác ƒ CCCH: Cơ cấu chấp hành để nhận lệnh điều khiển từ trạm làm việc đưa ra hoặc từ trung tâm gửi tới ƒ Trường hợp muốn truyền đi xa ta có thể truyền trực tiếp tín hiệu sau điều chế FSK hoặc tín hiệu sau modem ƒ Báo hiệu tại chỗ dựng còi và đèn nhấp nháy ƒ 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: ƒ Sensor (đo khí CH4): chuyển đổi nồng độ khí CH4 thành tín hiệu điện. ƒ KĐCH: khuếch đại và chuẩn hóa tín hiệu từ sensor. ƒ ADC: ADC 12 bit chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số đưa vào microcontroller. ƒ 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. ƒ Phần báo hiệu: Dùng còi chip và đèn Led nhấp nháy khi nồng độ CH4 vượt quá ngưỡng cho phép ƒ 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: ƒ Kiểm tra hệ thống, xác định cấu hình (phần do mình quản lý) ƒ Hiển thị kết quả đo tại các điểm đo và báo động tại chỗ ƒ Trao đổi thông tin với máy tính, điều khiển phím bấm. ƒ Trao đổi thông tin với các điểm đo. ƒ 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: ƒ truyền thông qua mạng Profibus-DP sử dụng mạng cáp quang (02 trạm) ƒ truyền thông qua cổng RS232 nối với modem quay số trực tiếp qua mạng điện thoại nội bộ trong Viện (01 trạm) ƒ 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: ƒ Phải đảm bảo an toàn ƒ Đảm bộ độ trung thực, chính xác của các số liệu thu được ƒ Thuận tiện, dễ sử dụng, không ảnh hưởng tới quá trình sản xuất của khai trường ƒ 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: ƒ 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. ƒ 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. ƒ Tạo ra phương pháp luận thiết kế bảo đảm độ tin cậy cao của toàn bộ hệ thống. ƒ Xây dựng logic chặt chẽ trong việc tạo ra các phầm mềm quản lý hệ thống cũng như phần mềm ứng dụng. ƒ 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: ƒ Đào tạo lại hàng chục kỹ sư cho ngành than trong việc vận hành và làm chủ hệ thống SCADA này. ƒ 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.