Thiết kế, chế tạo bộ biến truyền nhiệt độ thông minh sử dụng trong công nghiệp

Kỹ thuật điện tử & Khoa học mỏy tớnh Hoàng Ngọc Nhõn, “Thiết kế chế tạo bộ biến truyền nhiệt trong cụng nghiệp.” 70 Thiết kế, chế tạo bộ biến truyền nhiệt độ thông minh sử dụng trong công nghiệp Hoàng Ngọc Nhân Tóm tắt: Nhiệt độ là đại lượng quan trọng không những trong đời sống sinh hoạt mà còn là một trong những thông số quá trình phổ biến nhất trong các nhà máy công nghiệp. Trong bài báo này, tôi trình bày thiết kế, chế tạo một bộ biến truyền nhiệt độ thông minh, sử dụng trong công nghiệp. Thiết bị này có thể đo chuẩn hoá kết quả đo, xử lý kết quả tại chỗ, hoặc truyền thông tin đi xa theo chuẩn truyền thông công nghiệp. Dải nhiệt độ đo từ 0oC đến 600 oC với độ chính xác 0,5%, thiết bị đạt chuẩn bảo vệ nhiễu điện từ sử dụng trong công nghiệp. Từ khóa: Nhiệt độ, Biến truyền nhiệt độ thông minh, Chuẩn hoá. 1. GIớI THIệU CHUNG Trong các đại lượng vật lý, nhiệt độ và áp suất là hai đại lượng phổ biến nhất trong các thông số quá trình công nghiệp. Thiết bị điện tử được dùng ngày nay để đo các thông số ấy được gọi là “bộ biến truyền công nghiệp”. Bộ biến truyền công nghiệp thông thường có hai chức năng chính: Hiển thị giá trị đo tại vị trí đo (cấp trường) và truyền tín hiệu đi xa bằng dòng, bằng các chuẩn truyền thông công nghiệpCác tín hiệu này được tập trung hiển thị tại phòng điều khiển trung tâm để hình thành hệ điều khiển giám sát (SCADA) hoặc hệ điều khiển phân tán (DCS). Hiện nay, các loại biến truyền công nghiệp được chia thành ba loại chính: biến truyền tương tự (analog transmitter), biến truyền thông minh (intelligent transmitter) và biến truyền không dây (wireless transmitter) [1]. Bộ biến truyền tương tự là bộ biến truyền có đầu ra dòng điện (4-20mA) tỷ lệ tuyến tính với đại lượng cần đo. Tín hiệu ra và nguồn cung cấp được nối chung bằng hai dây (mạch vòng dòng). Biến truyền sẽ sinh ra dòng điện bằng việc thay đổi dòng tiêu thụ, tỷ lệ với giá trị cần đo. Bộ biến truyền thông minh được phát triển từ cuối những năm 80 của thế kỷ 20, cũng tương tự như bộ biến truyền tương tự về mặt cấu hình vật lý [1]. Tuy nhiên, đối với loại biến truyền này, tín hiệu cảm biến sẽ được số hoá bằng bộ chuyển đổi tương tự số (ADC) và được xử lý thông qua bộ vi điều khiển (uP), thông qua bộ chuyển đổi số tương tự (DAC) để có được tín hiệu dòng ra từ 4- 20mA. Bằng cách thức này có hai lợi ich: Có thể tuyến tính hoá các cảm biến không tuyến tính, và có thể bù các đại lượng ảnh hưởng bằng việc đo bổ sung các thông số ảnh hưởng. Đặc điểm chính của bộ biến truyền thông minh là: độ chính xác cao, có thể chuẩn hoá theo các đặc tuyến của cảm biến, có thể truyền thông công nghiệp theo các chuẩn như HART, Profibus, Foundation bus, ASiCác biến truyền thông minh ngày nay được phát triển mạnh mẽ ở các nước phát triển. Bộ biến truyền không dây được phát triển ở đầu thế kỷ 21 cùng với sự phát triển của mạng máy tính không dây. Các tín hiệu cảm biến được mã hoá và phát tín hiệu không dây thường ở tần số 2,4GHz dựa theo chuẩn IEEE 802.15.4. Yêu cầu kỹ thuật, công nghệ của một biến truyền công nghiệp rất cao như độ chống nhiễu điện từ trường tốt, chống va đập, rung, chống độ ẩm, hoạt động liên tục có độ chính xác cao. Trên thế giới, các hãng lớn đã rất thành công trong việc chế tạo các biến truyền công nghiệp như Siemens, Emersonprocess, Yokogawa, Honeywell, ABBở Việt nam, việc nghiên cứu, sản xuất thử nghiệm bộ biến truyền thông minh là cần thiết, từng bước tiếp cận và nội địa hoá các bộ biến truyền thông minh đang phải nhập khẩu. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày nghiên cứu về thiết kế bộ biến truyền nhiệt độ thông minh: có thể sử dụng các loại cảm biến khác nhau như pT100, cặp nhiệt điện có thể hiển thị giá trị đo tại chỗ hoặc truyền xa, với cấp chính xác 0,5%, đầu ra là dòng từ (020)mA (hoặc Nghiờn cứu khoa học cụng nghệ Tạp chớ Nghiờn cứu KH&CN quõn sự, Số 31, 06 - 2014 71 (420) mA), truyền thông công nghiệp, thiết bị làm việc tốt trong môi trường có nhiễu điện từ cao, hoàn toàn có thể sử dụng trong các nhà máy xí nghiệp công nghiệp. 2. THIếT Kế Bộ BIếN TRUYềN NHIệT Độ THÔNG MINH 2.1. Thiết kế phần mạch điện tử a) Sơ đồ khối của bộ biến truyền nhiệt độ thông minh Hình 1 trình bày sơ đồ khối của bộ biến truyền nhiệt độ thông minh. Thiết bị này được chia làm ba khối cơ bản: Khối mạch đầu vào (input circuit), khối mạch chính (Main circuit) và khối hiển thị và bàn phím (display and keys). Khối đầu vào (input circuit): Bao gồm mạch đo của cảm biến nhiệt độ như nhiệt điện trở RTD và cặp nhiệt điện TC, các tín hiệu này qua bộ dồn kênh MUX và được chuyển đổi thành tín hiệu số thông qua bộ chuyển đổi ADC. Bộ đo nhiệt độ môi trường để bù nhiệt độ đầu tự do khi đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện. Khối mạch trung tâm (Main circuit): Bao gồm một bộ vi điều khiển ATMEGA32, có kết nối với bộ chuyển đổ số tương tự để phát ra tín hiệu dòng chuẩn 0-20mA (hoặc 4-20mA), có thể truyền thông công nghiệp thông qua cổng nối tiếp. Khối hiển thị và bàn phím (Display and Keys): Có thể hiển thị tại chỗ giá trị đo thông qua bộ LCD. Bàn phím có ba phím: chức năng (FUN), tăng (UP), giảm (DOWN). b) Thiết kế mạch phần cứng cho bộ biến truyền nhiệt độ thông minh  Chuyển đổi đo lường và chuẩn hoá tín hiệu: Đối với cảm biến nhiệt độ loại nhiệt điện trở như PT100, bộ chuyển đổi đo lường sơ cấp sử dụng mạch cầu và bộ khuếch đại đo lường visai với hệ số khuếch đại là 4 (đảm bảo điện áp ra của bộ khuếch đại đo lường vi sai không vượt quá thang đo cho đầu vào ADC của bộ vi điều khiển). Đối với cảm biến nhiệt độ loại cặp nhiệt điện như loại K, với dải đo từ 0-6000C, điện áp ra từ 0 đến 24.6 mV. Do đó bộ khuếch đại dương được dùng với hệ số khuếch đại là 100 là phù hợp cho ADC của bộ vi điều khiển. Để đưa ra được chính xác nhiệt độ cần đo, cần phải bù nhiệt độ đầu tự do bằng cách đo nhiệt độ môi trường (sử dụng cảm biến số DS18B20 nối trực tiếp với vi điều khiển qua giao tiếp một dây). Việc bù nhiệt độ được thực hiện bằng phần mềm.  Bộ xử lý trung tâm, bộ hiển thị và phím chức năng: Do yêu cầu về độ chính xác và tốc độ cao cho xử lý thông tin, bộ vi điều khiển ATMEGA32 được lựa chọn trong thiết kế bộ biến truyền nhiệt độ. ATMEGA32 có tích hợp bộ ADC 8 kênh 10bit và có bộ khuyếch đại có thể lập trình được (PGA) nên hoàn toàn có thể sử dụng cho các đầu đo nhiệt độ với nhiệt điện trở và cặp nhiệt điện. Đầu RxD và TxD có chức năng truyền tín hiệu nối tiếp theo chuẩn truyền thông RS232 hoặc RS485, cũng như các phương thức truyền thông công nghiệp khác như Modbus Hiển thị LCD 16 ký tự và 2 dòng được sử dụng kết nối với ATMEGA 32 trong việc lựa chọn các cảm biến cần đo, dải đo và giá trị đo hiện tại. Phím chức năng: Có ba phím: Tăng (UP), giảm (DOWN) và chức năng (FUN) được kết nối với ATMEGA32 trong việc giao diện người với bộ biến truyền thông minh.  Bộ DAC và đầu ra dòng điện: Để có độ phân giải về dòng điện cao và độ chính xác cao, bộ chuyển đổi số tương tự (DAC) loại DAC8812 có độ phân giải 16 bit được sử dụng. DAC8812 giao tiếp với ATMEGA32 thông qua giao tiếp SPI. Điện áp ra sẽ qua mạch biến đổi dòng/áp, sau đó qua mạch dịch áp và biến đổi áp/dòng để tạo ra dòng 0-20mA. Thang đo dòng 0-20mA hay 4-20mA được lựa chọn bằng phần mềm qua phím chức năng FUN. Hình 1. Sơ đồ khối của bộ biến truyền nhiệt độ thông minh. Kỹ thuật điện tử & Khoa học mỏy tớnh Hoàng Ngọc Nhõn, “Thiết kế chế tạo bộ biến truyền nhiệt trong cụng nghiệp.” 72  Nguồn cung cấp: Để đảm bảo nguồn cung cấp chung cho các thiết bị cấp trường trong công nghiệp, nguồn cung cấp cho bộ biến truyền thông minh được thiết kế đáp ứng trong dải 10-30VDC. Do vậy để các IC số trong mạch hoạt động cần có bộ chuyển đổi điện áp xuống thành +5VDC và -5VDC bằng MC34063C và LM7805 có tính ổn áp cao. Sơ đồ tổng thể của bộ biến truyền nhiệt độ thông minh được trình bày trong hình 2. Hình 2. Sơ đồ tổng thể của biến truyền nhiệt độ. 2.2. Thiết kế phần mềm nhúng Phần mềm của hệ thống được viết trên nền của ngôn ngữ C, được biên dịch ra dạng Hex và nạp vào bộ nhớ của ATMEGA32. Phần mềm hệ thống có các tính năng sau: Đọc giá trị đo từ RTD hoặc TC; Đo giá trị nhiệt độ môi trường để bù nhiệt đầu tự do đối với TC; Đọc giá trị của bàn phím và hiển thị giá trị yêu cầu trên LCD; Điều khiển ADC và DAC, đưa ra giá trị dòng 4-20mA hoặc 0-20mA; truyền thông tin nối tiếp theo chuẩn công nghiệpCác chức năng chính của phần mêm được thực hiện theo lưu đồ thuật toán sau: 1. Khởi động vi điều khiển ATMEGA32 2. Đọc phím chức năng, cấu hình hệ thống 3. Đo nhiệt độ với độ với cấu hình đã chọn: RTD hoặc TC 4. Xử lý thông tin đo: Chuẩn hoá, hoặc bù nhiệt độ đầu tự do bằng việc đo nhiệt độ môi trường 5. Hiển thị kết quả đo 6. Đưa kết quả ra bằng dòng ra 0-20mA hoặc 4-20mA hoặc truyền thông công nghiệp 7. Quay lại bước 2. 2.3. Thiết kế phần vỏ chống nhiễu điện từ Do bộ biến truyền làm việc trong môi trường công nghiệp có nhiễu điện từ trường cao. Do vậy việc bảo vệ nhiễu điện từ trường giúp cho bộ biến truyền hoạt động ổn định là đặc biệt quan trọng. Trong nghiên cứu về giải pháp bảo vệ sóng điện từ trường trong công nghiệp [4], cơ sở tính toán đã giúp chúng tôi thiết kế vỏ bảo vệ bằng hợp kim nhôm, có độ dày 2mm, tương ứng với việc bảo vệ sóng điện từ >80dB trong dải tần rộng. Thiết kế vỏ hoàn thiện được thể hiện trong hình 3. 3. Kết quả thực nghiệm Mạch in được hình thành từ mạch nguyên lý, các linh kiện được lắp vào mạch, chương trình được viết và nạp vào vi mạch ATMEGA32. Sau khi thử nghiệm và chạy thử, mạch hoạt động tốt, ổn định và có thử nghiệm với các thiết bị chuẩn hoá có độ chính xác cao. 3.1. Bộ biến truyền nhiệt độ khi hoàn thiện Bộ biến truyền nhiệt độ được đặt trong vỏ chống nhiễu điện từ, để đảm bảo rằng hoạt động của hệ thống không bị ảnh hưởng trong môi trường công nghiệp (hình 3). Nghiờn cứu khoa học cụng nghệ Tạp chớ Nghiờn cứu KH&CN quõn sự, Số 31, 06 - 2014 73 Hình 3. Hình ảnh thiết bị biến truyền nhiệt độ . Hình 4. Sơ đồ nối dây của biến truyền nhiệt độ. Sơ đồ nối dây và các phím điều khiển được thể hiện trong hình 4. Ba phím giúp cho điều khiển hệ thống: FUN phím chức năng, UP: phím tăng, DOWN: phím giảm. Khi bật nguồn thì màn hình LCD sẽ hiển thị dòng chữ “EPU Do nhiet do”, sau 2 giây sẽ hiển thị giá trị đo. ấn nút FUN để chuyển qua lại giữa các màn hình: Hiển thị kết quả đo-Chọn loại cảm biến (pt100, TC-K) - Kiểu đầu ra (0-20mA; 4-20mA); - Chọn dải đo (0-1000C, 0- 6000C) qua các phím UP hoặc DOWN. Các cầu đấu giúp cho việc nối cảm biến và nguồn nuôi cũng như dòng ra một cách dễ ràng. 3.2. Chuẩn hoá và đánh giá sai số Trong bài báo này, chúng tôi sử dụng bộ chuẩn hoá điện tử đa năng FLUKE 725 của Mỹ để chuẩn hoá bộ biến truyền nhiệt độ [4]. Trong thiết bị chuẩn hoá này có các thư viện cảm biến PT100 và cặp nhiệt điện T. Các giá trị nhiệt độ sẽ được đặt ở FLUKE 725, giá trị nhiệt độ sẽ được hiển thị trên biến truyền nhiệt độ, dòng điện đầu ra sẽ được kiểm tra bằng ampe kế có độ chính xác cao. Bảng 1. Giá trị nhiệt độ chuẩn hoá đối với PT100 và dòng ra của thiết bị. TT Nhiệt độ đặt trên Fluke 725 Nhiệt độ hiển thị trên thiết bị Sai lệch Dòng ra của biến truyền nhiệt độ 0-20mA 4-20mA 0 0 0 0 4 1 10 10 0 0.9 4.8 2 20 20 0 1.9 5.5 3 40 40 0 3.9 7.2 4 60 60 0 5.9 8.7 5 80 80 0 7.9 10.3 6 100 100 0 9.9 11.9 7 120 120 0 11.9 13.5 8 140 139 1 13.8 15 9 160 159 1 15.8 16.7 10 180 179 1 18.2 18.5 11 200 199 1 19.9 19.9 Hình 5. Quan hệ giữa nhiệt độ và dòng (020) mA và (420) mA. Kỹ thuật điện tử & Khoa học mỏy tớnh Hoàng Ngọc Nhõn, “Thiết kế chế tạo bộ biến truyền nhiệt trong cụng nghiệp.” 74 Tương tự đối với nhiệt điện trở PT100, thiết bị được chuẩn hoá với cặp nhiệt điện T (50- 600 0C). Bảng 2.Giá trị nhiệt độ chuẩn hoá đối với cặp nhiệt T và dòng ra của thiết bị. TT Nhiệt độ đặt trên Fluke 725 Nhiệt độ hiển thị trên thiết bị Sai lệch Dòng ra của biến truyền nhiệt độ 0-20mA 4-20mA 1 50 52 1 1.6 5.3 2 100 102 1 3.3 6.6 3 150 153 1 5 8 4 200 204 2 6.7 9.4 5 250 254 2 8.3 10.6 6 300 304 2 10.1 12 7 350 355 2 11.6 13.4 8 400 404 2 13.4 14.7 9 450 454 3 15 16.1 10 500 505 3 16.8 17.4 11 550 555 3 18.5 18.8 12 600 605 3 19.9 19.9 Hình 6. Quan hệ giữa nhiệt độ và dòng ra (020) mA và (420) mA. Qua kết quả kiểm tra trên, chúng ta thấy sai số lớn nhất của bộ biến truyền nhiệt độ trên toàn thang đo lớn nhất là 0.5%. Giá trị này hoàn toàn phù hợpcho các thiết bị đo trong công nghiệp, tương đương với các thiết bị của các hãng như Siemens, Yokogawa[5,6]. Dòng ra trong hai thang là 0-20mA và 4-20mA là tuyến tính (Với độ lệch bình quân phương là 0,999) điều này chứng tỏ từ dòng ra, có thể hoàn toàn biết được giá trị nhiệt độ cần đo với độ chính xác cao. 4. Kết luận Trong bài báo này, chúng tôi đã trình bày thiết kế và chế tạo bộ biến truyền nhiệt độ thông minh dùng trong công nghiệp. Bộ biến truyền nhiệt độ có tính năng chuẩn hoá từng đoạn để tăng độ chính xác, có thể sử dụng với các loại cảm biến khác nhau như PT100, cặp nhiệt T tương ứng với dải đo từ nhiệt độ 00 C đến 6000C với sai số tương đối lớn nhất là 0.5%. Dòng ra của bộ biến truyền có thể đặt tuỳ theo ứng dụng hoặc từ 0-20mA hoặc từ 4- 20mA. Với đặc tính và độ chính xác như vậy, bộ biến truyền nhiện độ này hoàn toàn có thể sử dụng trong công nghiệp để đo nhiệt độ, có thể thay thế các bộ biến truyền nhiệt độ được chế tạo bởi các hãng nổi tiếng trên thế giới. Lời cảm ơn: Để có được các kết quả này, tôi xin chân thành cảm ơn Bộ Công Thương đã hỗ trợ tài chính cho tôi thực hiện nghiên cứu này. Nghiờn cứu khoa học cụng nghệ Tạp chớ Nghiờn cứu KH&CN quõn sự, Số 31, 06 - 2014 75 Tài liệu tham khảo [1]. Robert X. Gao, “Design of a CDMA-Based wireless Data Transmitter for Embedded sensing,” IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement, Vol., 51, No.6, Dec. 2002. [2]. Simpson J.A., “Smart Transmitters and Receivers for underwater Free-space Optical Communication,” IEEE journal on Communication, Volume 30, Issue 5, 2012. [3]. Hoàng Ngọc Nhõn, “Giải phỏp bảo vệ súng điện từ trong cụng nghiệp và quốc phũng,” Tạp chớ Khoa học và Kỹ thuật, HVKTQS, ISSN 1859-0209, số 148, 2012 [4]. umeng0300.pdf [5]. instrumentation/pressure-measurement/pages/pressure-measurement.aspx [6]. www.yokogawa.com/us/products/field-instruments Abstract CONCEPTION AND REALISATION OF SMART TEMPERATURE TRANSMITTER USING IN INDUSTRY Temperature is not only important in the life, but also it is the one of the process parameters of the most popular in industrial plant. In this paper, the conception and realisation of smart temperature transmitter using in industry is presented. This device can measure, standardized measurements, display the measurement results on the device or transmit information according to the industrial communication standard. Temperature measurement range from 0-6000C with accuracy 0.5%, the concetion is applied electromagnetic interference protection standard in industry. Keywords: Temperature, Smart temperature transmitter, Standaziation. Nhận bài ngày 24 tháng 12 năm 2013 Hoàn thiện ngày 21 tháng 02 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 14 tháng 05 năm 2014 Địa chỉ: * Trường Đại học Điện lực, 235 Hoàng Quốc Việt, Từ Liêm, Hà Nội.