Đồ án: Sử dụng PLC điều khiển và giám sát các thiết bị trong đường hầm

Đồ án tốt nghiệp hệ thống điều khiển và giám sát đường hầm bằng PLC. Phân tích thiết kế, lập trình PLC và giao diện HMI cho vận hành tự động.

• Tác giả: Phạm Lê Phi Ân
• Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Vạn Quốc
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Ứng Dụng PLC Điều Khiển Và Giám Sát Các Thiết Bị Trong Đường Hầm
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống PLC điều khiển đường hầm

Hệ thống PLC điều khiển và giám sát thiết bị đường hầm đại diện cho một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp. PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điện tử chuyên dụng cho phép điều khiển, giám sát và tối ưu hóa hoạt động của các thiết bị trong môi trường đường hầm phức tạp. Công nghệ này giúp nâng cao hiệu suất vận hành, đảm bảo an toàn cho người sử dụng và giảm chi phí bảo trì. Với sự phát triển của các hệ thống quản lý giám sát, việc áp dụng PLC đã trở thành giải pháp tiêu chuẩn trong các dự án cơ sở hạ tầng hiện đại. Bài viết này sẽ khám phá chi tiết các ứng dụng, lợi ích và quy trình triển khai hệ thống điều khiển PLC cho các thiết bị đường hầm.

1.1. Khái niệm PLC và vai trò trong điều khiển đường hầm

PLC là thiết bị lập trình tự động dùng để điều khiển các quá trình công nghiệp. Trong điều khiển đường hầm, PLC đóng vai trò trung tâm quản lý các hệ thống thông gió, chiếu sáng, an ninh và cảnh báo. Nó xử lý dữ liệu từ các cảm biến, ra quyết định dựa trên logic lập trình và điều khiển các thiết bị thực thi. Khả năng tự động hóa này giúp giảm can thiệp thủ công, tăng độ tin cậy hệ thống và đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn.

1.2. Tầm quan trọng của giám sát thiết bị đường hầm

Giám sát liên tục các thiết bị đường hầm là yêu cầu thiết yếu để đảm bảo an toàn giao thông và hiệu suất hoạt động. Hệ thống giám sát PLC cung cấp thông tin thời gian thực về trạng thái các thiết bị, phát hiện sự cố sớm và kích hoạt cảnh báo. Điều này giúp chủ quản lý được tình hình hoạt động, lập kế hoạch bảo trì phòng ngừa và đảm bảo an toàn cho người sử dụng đường hầm.

II. Cấu trúc hệ thống điều khiển PLC trong đường hầm

Hệ thống PLC điều khiển đường hầm bao gồm nhiều thành phần kỹ thuật liên kết chặt chẽ. Cấu trúc tiêu biểu gồm đơn vị PLC chính, các module vào/ra (I/O), nguồn cấp điện, các cảm biến phát hiện, thiết bị thực thi (motor, van, relay), hệ thống truyền thông RS-232, và giao diện HMI (Human Machine Interface). Mỗi thành phần thực hiện chức năng riêng biệt nhưng hoạt động có sự phối hợp để tạo nên một hệ thống tự động hóa toàn diện. Việc thiết kế hệ thống phải tuân theo các tiêu chuẩn kỹ thuật, đảm bảo tính tin cậy, khả năng sửa chữa và bảo trì dễ dàng.

2.1. Các thành phần chính của hệ thống

Hệ thống bao gồm PLC điều khiển, các module I/O để kết nối cảm biến và thiết bị, tủ điện chứa các thiết bị điện như contactor, relay bảo vệ. Nguồn cấp điện đảm bảo hoạt động ổn định cho toàn bộ hệ thống. Các cảm biến phát hiện nhiệt độ, áp suất, chất lượng không khí giúp PLC nhận thông tin môi trường. Thiết bị thực thi như quạt thông gió, đèn chiếu sáng thực hiện các lệnh từ PLC để điều khiển điều kiện trong đường hầm.

2.2. Giao diện HMI và truyền thông RS 232

HMI (Giao diện Máy-Người) cho phép kỹ thuật viên giám sát trạng thái hệ thống, thiết đặt tham số và điều khiển thủ công nếu cần. Truyền thông RS-232 kết nối PLC với HMI, cho phép trao đổi dữ liệu thời gian thực. Hệ thống truyền thông đáng tin cậy này đảm bảo dữ liệu được truyền chính xác không bị sai lệch, giúp người quản lý có quyền kiểm soát toàn bộ hệ thống điều khiển và giám sát từ xa một cách hiệu quả.

III. Ứng dụng PLC trong điều khiển các thiết bị đường hầm

PLC điều khiển được ứng dụng rộng rãi để quản lý các hệ thống quan trọng trong đường hầm. Hệ thống thông gió được điều khiển tự động dựa trên nồng độ CO₂, CO để đảm bảo chất lượng không khí. Hệ thống chiếu sáng tự động điều chỉnh độ sáng phù hợp với ánh sáng tự nhiên và lưu lượng giao thông. Hệ thống an ninh giám sát các camera, cửa thoát hiểm, thiết bị cảnh báo cháy. Hệ thống kiểm soát giao thông điều khiển biển báo, đèn giao thông, hệ thống thông báo. Tất cả hoạt động theo logic tự động hóa được lập trình trước, giúp tối ưu hóa năng lượng và an toàn giao thông.

3.1. Điều khiển hệ thống thông gió và chất lượng không khí

PLC điều khiển quạt thông gió dựa trên các tham số không khí được cảm biến phát hiện. Khi nồng độ khí độc vượt ngưỡng, hệ thống tự động tăng tốc độ quạt, kích hoạt hệ thống hút khí thải. Logic điều khiển đảm bảo không khí luôn trong tiêu chuẩn an toàn ISO. Với giám sát liên tục, hệ thống phát hiện sự cố quạt, lọc bụi bẩn, kích hoạt cảnh báo cho kỹ thuật viên bảo trì kịp thời.

3.2. Quản lý chiếu sáng và an niên giao thông

Hệ thống chiếu sáng PLC tự động bật/tắt đèn dựa trên thời gian và lưu lượng phương tiện. Điều khiển độ sáng từng đoạn đường hầm khác nhau để tiết kiệm năng lượng. Hệ thống giám sát phát hiện đèn hỏng, tự động thay thế. An niên giao thông được nâng cao nhờ hệ thống biển báo động, đèn cảnh báo, thông báo tin tức trên màn hình thông tin điều khiển bởi PLC.

IV. Quy trình triển khai và bảo trì hệ thống PLC

Triển khai hệ thống PLC cho đường hầm đòi hỏi các bước kỹ thuật nghiêm ngặt. Đầu tiên là thiết kế hệ thống, xác định yêu cầu chức năng, chọn loại PLC phù hợp, thiết kế sơ đồ khối và logic điều khiển. Tiếp theo là lắp đặt tủ điện, kết nối các thiết bị điện, cấp nguồn thử nghiệm. Sau đó lập trình PLC bằng ngôn ngữ như Ladder Diagram, viết phần mềm giao diện HMI, cấu hình truyền thông RS-232. Bước kiểm tra và chạy thử đảm bảo hệ thống hoạt động đúng theo yêu cầu. Cuối cùng là đào tạo và bảo trì định kỳ để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định lâu dài.

4.1. Các bước thiết kế và lắp đặt hệ thống

Thiết kế bắt đầu bằng phân tích nhu cầu của đường hầm, xác định các thiết bị cần điều khiển. Lập sơ đồ khối trình tự hoạt động, chọn PLC có khả năng xử lý phù hợp. Thiết kế bản vẽ nguyên lý của tủ điện, chọn các thiết bị điện chất lượng cao. Lắp đặt yêu cầu kỹ năng cao, kết nối chính xác các dây điều khiển, đảm bảo tiêu chuẩn an toàn điện.

4.2. Lập trình kiểm tra và bảo trì hệ thống

Lập trình PLC sử dụng ngôn ngữ Ladder hoặc khối chức năng, viết logic điều khiển từng thiết bị. Thiết kế HMI trực quan giúp người vận hành dễ giám sát. Kiểm tra toàn bộ hệ thống trước khi vận hành chính thức. Bảo trì định kỳ bao gồm kiểm tra các thông số, thay thế linh kiện hỏng, cập nhật phần mềm, đảm bảo hệ thống luôn hoạt động an toàn và hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1. Thế nào là hệ thống giám sát và điều khiển đường hầm? - Để đáp ứng được nhu cầu di chuyển cho các phương tiện lưu thông một cách dễ dàng và ngắn nhất qua các con song hay giúp giảm tải lưu lượng giao thông thì không chỉ có cầu đường mà chúng ta dần phát triển thêm về các đường hầm bắt ngang từ nơi này đến nơi khác. - Vậy với một con đường hầm dù lớn hay nhỏ cũng cần có sự giám sát, điều khiển các thiết bị bên trong đường hầm một cách an toàn cũng như là nhanh nhất để có thể điều tiết được lượng xe di chuyển, nhưng với sức lực của con người chúng ta không thể trực tiếp 24/24 để có thể giám sát hết tất cả vì thế các hãng lớn như ABB, …, họ đã phát triển lên các hệ thống giám sát và điều khiển đường hầm ngày một tiên tiến hơn để có thể hỗ trợ con người khắc phục được các khó khăn trong quá trình hoạt động của hầm nhanh chóng, an toàn hơn.1: Hệ thống phát sáng, cửa thoát hiểm và cấp nước trong đường hầm Hải Vân 2 (Nguồn: Internet) 1 - Trên thế giới hiện nay có rất nhiều loại đường hầm được áp dụng: hầm chui, hầm đi bộ, hầm lưu thông xe, …. Mỗi đường hầm sẽ có các hệ thống phục vụ khác nhau cho từng mục đích, vừa phù hợp chi phí vừa có thể nắm bắt được tình hình của toàn hầm mà không bị dư thiết bị hay thiếu chức năng.2: Một hệ thống đường hầm cao tốc được đề xuất tại Hà Nội (Nguồn: Internet) - Các hệ thống giám sát và điều khiển đường hầm được phát triển nhiều lợi thế, ưu điểm hơn để phù hợp với hệ thống giao thông vận tải hiện nay nhưng vẫn không tránh khỏi việc xuất hiện các nhược điểm cần khắc phục.

- Với ưu điểm giải quyết được vấn đề an toàn trong hầm các hãng lớn luôn chăm sóc cho hệ thống của mình những thiết bị tiên tiến nhất để phục vụ quá trình giám sát, thông báo cũng như điều khiển trong đường hầm, các hệ thống camera được lắp đặt vừa quan sát được tình hình trong đường hầm hoặc với các đường hầm lớn camera còn được tích hợp hồng ngoại kết nối với hệ thống của trạm để khắc phục ngay vấn đề hỏa hoạn trong đường hầm. - Hệ thống chiếu sáng luôn được để 24/24 phía trong và đèn rìa sẽ được thay đổi theo độ sáng ngoài trời để giảm tải lượng điện tiêu thụ không cần thiết, các hệ thống giám sát này luôn được hoạt động thường xuyên để hỗ trợ cho 2 người giám sát, luôn bắt được tín hiệu và thông báo ngay về trạm để giải quyết vấn đề nguy hiểm xảy ra ngya thời điểm đó.3: Các camera được đặt xuyên suốt đường hầm (Nguồn: Internet) - Về nhược điểm có những vẫn đề chưa giải quyết được như tiếng ồn phát ra từ các quạt thông gió trên nốc hầm, dễ gây cho người di chuyển bị ù tai, mất tập trung khi lái xe. Trong hầm sẽ khó có thể điều tiết giao thông khi có tai nạn bất ngờ xảy ra và gây tắt nghẽn trong hầm, đó cũng là lý do vì sao sẽ có những cây cầu hay các đường hầm khác để lưu thông tránh được các tình huống bất ngờ xảy ra.4: Hai ống quạt lớn giúp điều tiết không khí nhưng cũng là nguyên nhân gây ra tiếng ồn (Nguồn: Internet) 3 1. Tính cần thiết ứng dụng của đề tài: 1.

Tính cần thiết: - Đưa được chuỗi hệ thống tự động tiếp cận với con người nhiều hơn. - Hỗ trợ giám sát cho người kĩ sư, giảm được nguồn nhân lực hoạt động. - Đảm bảo được độ an toàn, nắm bắt, phát hiện được tình hình nguy hiểm cho đường hầm, và thông báo ngay về trạm để tiến hành khắc phục nhanh chóng. - Là tiền đề để phát triển thêm cho hệ thống sau này hoặc áp dụng vào các lĩnh vực giám sát và điều khiển dịch vụ khác.

- Có thể giám sát được mọi hoạt động dựa trên camera lắp đặt tại đường hầm hoặc trên màn hình mô phỏng. Ứng dụng: - Được lắp đặt và sử dụng trong các đường hầm. - Các hệ thống sẽ có chức năng riêng để phù hợp với từng loại hầm được lắp đặt. - Là tiền đề phát triển thêm cho các hệ thống phục vụ cho mục đích giám sát và điều khiển sau này.

- Quan sát và điều khiển được các hệ thống nhỏ phân chia: hệ thống đèn, hệ thống chữa cháy, hệ thống quạt thông gió, hệ thống xử lý sự cố thông qua ảnh nhận diện camera. Nhiệm vụ, chức năng và giới hạn của đề tài: 1. Nhiệm vụ: - Tìm hiểu và khai thác cách hoạt động của một đường hầm thông qua các thiết bị mô phỏng. - Về phần cứng: + Tìm hiểu cách đấu nối PLC.

+ Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các thiết bị hỗ trợ như: quạt, đèn, relay trung gian, bơm nước, cảm biến ánh sáng, bơm áp suất. + Lắp đặt, đi dây các thiết bị cho mô hình gọn và hợp lý. + Lắp đặt vị trí cho các thiết bị điều khiển. 4 - Về phần mềm: + Thiết kế và đưa ra bản vẽ mô hình.

+ Thiết kế bản vẽ đi dây và thiết bi điều khiển. + Lập trình phần mềm cho PLC: chương trình GX Works2. + Tạo giao diện và kết nối trên chương trình LabVIEW. Chức năng: - Xử lý hình ảnh phát hiện lửa.

- Báo loa và đèn tín hiệu. - Quạt thông gió cho hầm. - Đèn đầu hầm và cuối hầm sử dụng cảm biến ánh sáng. - Bơm phụ giúp ổn định áp suất đường ống.

Giới hạn đề tài: - Mô hình được áp dụng trên một nhánh nhỏ trong hệ thống đường hầm lớn nên chỉ sử dụng các thông số cơ bản, không đi chuyên sâu về chi tiết. - Các thiết bị được sử dụng đơn giản và phù hợp với hệ thống nhỏ có trên mô hình. - Vì lý do chi phí và hiểu biết nên một số thiết bị sẽ được thay thế bằng đèn báo. Cấu hình và mô tả hệ thống: 1.

Cấu hình: - Một camera - Hai quạt thông gió - Đèn còi báo hiệu - Máy bơm mini cấp nước - Cảm biến ánh sáng - PLC Mitsubishi - Relay trung gian - Bộ nguồn 24V 5 - MCB cấp và ngắt điện - Đèn dây - Đèn báo xanh thay thế cho bơm phụ áp suất 1. Mô tả: - Hệ thống được chia làm 3 chế độ: Auto, Stop, Manual. - Chế độ Auto: + Sử dụng camera thông qua xử lý ảnh vừa giám sát vừa nhận diện lửa báo cháy và chuyển tín hiệu cho đèn còi, quạt và bơm chính hoạt động. + Hai quạt sẽ lần lượt hoạt động thay phiên nhau thông qua thời gian được cài đặt tránh tình trạng hư hỏng khi 1 quạt hoạt động quá nhiều.

+ So sánh áp suất trong đường ống và áp suất được cài đặt để gửi tín hiệu cho bơm phụ chạy mỗi khi phát hiện sụt áp. + Cảm biến ánh sáng sẽ hoạt động liên tục dựa trên thời tiết bên ngoài giúp tắt mở đèn và tiết kiệm được năng lượng điện. - Chế độ Stop: ở chế độ này sẽ có đèn báo đỏ và mọi hoạt động của thiết bị sẽ dừng. - Chế độ Manual: ở chế độ này mọi hoạt động của thiết bị trên mô hình sẽ được điều khiển bằng tay dựa vào nút nhấn, có đèn báo hoạt động.

- Đặt biệt ở cả 2 chế độ sẽ có 1 nút nhấn chạy toàn hệ thống khẩn cấp khi phát hiện có sự cố, tránh tình trạng camera có vấn đề. Khi muốn dừng chế độ này chỉ cần nhấn vào 1 lần nữa để tắt hoặc nếu bị vấn đề về nút có thể dừng thông qua chế độ Stop. 6 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 2. Các giải pháp đang được áp dụng: - Với lượng giao thông ngày càng đông đảo hiện nay thì việc xuất hiện thêm nhiều tuyến đường hầm là điều chắc chắn và để phục vụ cho nhu cầu quản lý, giám sát và điều khiển các thiết bị bên trong đường hầm thì các hãng lớn luôn bắt tay vào việc phát triển nhiều hơn cho hệ thống quản lý đường hầm của họ, tiêu biểu được kể đến như: 2.

Giải pháp tự động hóa đường hầm PLC AC500: Hình 2.1: Phác họa hệ thống quản lý đường hầm tự động hóa PLC AC500 (Nguồn: Internet) a) Bảo vệ và an ninh: - Hệ thống thông gió trong đường hầm để bảo vệ người và thiết bị trong mọi tình huống: + Hút khói. + Lưu thông không khí trong lành. - Điều khiển video và radar để phát hiện sớm các tình huống nguy hiểm. - Hện thống sơ tán khẩn cấp của toàn bộ đường hầm cung cấp không gian chờ an toàn.

7 - Công nghệ chiếu sáng hiện đại giúp điều hướng an toàn và nhận biết tốt các phương tiện và hành khách. - Các điểm gọi thủ công dọc theo các lối ra. - Hệ thống chữa cháy. b) Kiểm soát và an toàn: - AC500: + Tính khả dụng cao.

+ PLC an toàn. - Các động cơ để tích hợp tối ưu các quạt đường hầm. - Cung cấp phù hợp của hệ thống điều khiển và thiết bị đóng cắt. - Giám sát nguồn điện.

- Hệ thống phân phối điện áp thấp / trung áp. - Cung cấp điện khẩn cấp. c) Truyền thông và báo cáo: - Giám sát từ xa / IOT. - Bảo trì từ xa.

- Hệ thống thông báo công khai chung. - Hệ thống liên lạc và thông báo có thể truy cập từ mọi điểm trong đường hầm. - Lưu lượng truy cập được tối ưu hóa với việc thu thập dữ liệu qua AC500. - Hệ thống tín hiệu.

- Thay đổi biển báo giao thông. d) Giám sát: - Hệ thống điều khiển cục bộ và cấp cao hơn (SCADA). - Bảng điều khiển để có cái nhìn tổng quan về toàn bộ hệ thống đường hầm: HMI CP600. - Quản lý năng lượng cho toàn hệ thống.

- Hệ thống truyền động để vận hành hiệu quả hệ thông thông gió trong đường hầm.2: Sơ đồ hệ thống quản lý SCADA (Nguồn: Internet) 2. Giải pháp của MOXA: - Để nâng cao độ tin cậy thì giải pháp Ethernet với tốc độ 10/100 Mbps được lựa chọn như một phương tiện truyền thông chính và cấu trúc Turbo Ring của Moxa cũng được sử dụng. Tín hiệu điều khiển được truyền thông qua giao thức Profibus (tốc độ tối đa có thể lên tới 12 Mbps), trong khi những hệ thống giám sát, quản lý thông tin đường cao tốc MIS, hệ thống thông tin địa lý GIS, hệ thống định vị GPS và các trạm quan sát được quản lý thông qua kết nối Ethernet.