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

182 trang yendo 5522

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Báo cáo Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ SCADA phục vụ an toàn lao động trong ngành khai thác hầm lò", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bao_cao_nghien_cuu_thiet_ke_che_tao_he_scada_phuc_vu_an_toan.pdf

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ SCADA phục vụ an toàn lao động trong ngành khai thác hầm lò

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 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
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 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 thảo viết xong 05/2004 Tài liệu này được chuẩn bị trên cơ sở kết quả thực hiện Đề tài cấp Nhà nước mã số KC.03.04
DANH SÁCH CÁN BỘ KHOA HỌC CHÍNH THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI STT Tên Ghi chú 1 GS.TSKH. Nguyễn Xuân Quỳnh Chủ nhiệm đề tài 2 TS. Nguyễn Thế Truyện Chủ trì phần thiết kế các trạm đo 3 ThS. Nguyễn Duy Hưng Chủ trì phần thiết kế hệ thống 4 ThS. Trần Thanh Thủy 5 ThS. Trịnh Hải Thái 6 KS. Nguyễn Thị Hương Lan 7 KS. Tạ Văn Nam 8 KS. Nguyễn Nam Hải 9 KS. Bùi Đức Trí 10 KS. Nguyễn Đức Lương 11 KS. Nguyễn Công Hiệu 12 KS. Luyện Tuấn Anh 13 KS. Kiều Mạnh Cường 14 KS. Nguyễn Thế Vinh 15 KS. Nguyễn Văn Cường * 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
BÀI TÓM TẮT Đề tài Nghiên cứu Khoa học cấp Nhà nước KC.03.04 thuộc chương trình Khoa học Công nghệ quốc gia về Tự động hoá KC.03 có tên gọi : “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ SCADA phục vụ an toàn lao động trong ngành khai thác hầm lò” là một trong những đề tài trọng điểm của chương trình KC.03. Những tai nạn do cháy nổ gây ra tại các mỏ than Việt nam và trên thế giới trước đó và gần đây đã gây ra nỗi bức xúc cho những người làm nghên cứu Khoa học Công nghệ, đồng thời phản ánh tính thời sự cấp bách của đề tài. Tuy thời gian thực hiện không dài nhưng đề tài đã đưa ra đuợc nhiều kết quả nghiên cứu đáng kể cả về mặt khoa học, công nghệ và cả về mặt ứng dụng thực tiễn. Sau đây là một số kết quả nghiên cứu chính: 1. Đã khảo sát tương đối đầy đủ thực trạng khai thác than và kỹ thuật cảnh báo cháy nổ tại các mỏ than hầm lò của Việt Nam. 2. Nghiên cứu giải pháp tổng thể và thiết kế chi tiết cho hệ thống SCADA đặc thù phục vụ an toàn lao động trong ngành khai thác than hầm lò trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt ở Việt Nam. 3. Xây dựng mô hình mô phỏng để phục vụ cho công tác nghiên cứu lý thuyết cũng như nghiên cứu thiết kế. 4. Chế tạo hoàn chỉnh hệ thống SCADA phục vụ an toàn lao động trong khai thác than hầm lò. Đồng thời đề tài cũng chế tạo thành công bộ cảnh báo cháy nổ cầm tay đưa vào ứng dụng được các công ty than hết sức hoan nghênh và hiện nay đang chuyển sang dự án sản xuất hàng loạt. 5. Hệ thống thiết bị SCADA của đề tài đã được đưa vào ứng dụng nhiều tháng nay tại khu mỏ và mang lại hiệu quả kinh tế rõ rệt. Hệ thống đã được Tổng công ty than Việt Nam đánh giá cao và hứa hẹn nhiều triển vọng. 6. Về mặt khoa học, đề tài đã công bố được 8 công trình khoa học trong và ngoài nước. Hai nghiên cứu sinh đang làm luận án Tiến sĩ theo hướng nghiên cứu của đề tài. Nội dung các luận án là những phát triển sâu hơn về mặt học thuật của nội dung nghiên cứu Đề tài. Cuối cùng đề tài đã xây dựng được mô hình đầy đủ tại phòng thí nghiệm phục vụ cho công tác nghiên cứu lâu dài, đồng thời đào tạo được một đội ngũ cán bộ chuyên sâu cho hướng nghiên cứu này.
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 Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 3 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
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 Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 4 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
PHẦN I : MỞ ĐẦU I. GIỚI THIỆU CHUNG 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 chi tiết về các kết quả đã đạt được trong quá trình thực hiện đề tài KC.03.04. Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 5 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
II. 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, 0 NOx, SOx, H2S, t ) 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. 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 Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 6 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
PHẦN II : NỘI DUNG CHÍNH BÁO CÁO III. 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 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 Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 7 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
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 8 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
IV. CÁC KẾT QUẢ KHẢO SÁT VÀ NGHIÊN CỨU 1. Khảo sát tình hình tại các mỏ ([8], [9]) Vài nét về hoạt động sản xuất và công nghệ khai thác ở các mỏ than hầm lò liên quan đến môi trường làm việc Việc xuất hiện các loại khí tự nhiên trong khai thác mỏ nói chung là điều tất yếu. Do quá trình hình thành hàng triệu năm, các phản ứng hoá học xảy ra trong tự nhiên đã tạo ra các loại khí khác nhau. Các loại khí này tích tụ, khuyếch tán vào trong các khoáng vật. Công việc khai thác đương nhiên làm giải phóng ra các chất khí đó. Chúng có thể ảnh hưởng tới sức khoẻ con người hoặc gây nguy hiểm trong quá trình khai thác. Trong khai thác than, đặc biệt là phương pháp khai thác hầm lò, thường tạo ra các loại khí độc như: CO, CO2, N2, NOX Nguy hiểm hơn cả là khí CH4 có khả năng gây cháy, nổ rất cao. Ngoài ra trong khi khai thác còn tạo ra bụi than có thể gây cháy và ảnh hưởng tới sức khoẻ người lao động. Điều kiện địa chất, công nghệ khai thác, quy mô sản xuất và việc thông gió có ảnh hưởng tới việc thoát khí cũng như các điều kiện về môi trường trong khai thác hầm lò. Ở Việt Nam quy mô khai thác hầm lò không lớn, trải dài trên một diện tích rộng. Việc nghiên cứu được thực hiện ở vùng mỏ hầm lò Quảng Ninh trực thuộc Tổng công ty than Việt Nam - Đây là vùng khai thác có quy mô công nghiệp, trữ lượng và sản lượng tương đối lớn. Sau đây là kết quả nghiên cứu và khảo sát tập trung vào một số mỏ than hầm lò lớn trong Tổng công ty than Việt Nam bao gồm mỏ than Mông Dương, mỏ than Vàng Danh và mỏ than Hà Lầm. Công nghệ khai thác Dựa vào cấu tạo, trữ lượng của các vỉa than và tính chất đá vách, trụ của vỉa than kết hợp với kinh nghiệm sản xuất, mỏ than Mông Dương đã áp dụng các sơ đồ công nghệ khai thác khác nhau như khấu than bằng khoan nổ mìn, điều khiển đá vách bằng phá hoả toàn phần. Trước đây các vỉa than cánh đông I(12), trung tâm và vũ môn sử dụng hệ thống khai thác cột dài theo phương, lò chợ dọc vỉa phân tầng còn hiện nay khu vực I(12) cánh tây khai thác buồng cột. Đối với mỏ than Vàng Danh hệ thống khai thác được mở bằng các lò chuẩn bị dọc vỉa trong than để các trụ bảo vệ duy trì lò cái chân cho tầng khai thác tiếp theo làm lò thông gió. Mỏ được chia làm 2 khu khai thác: Khu tây Vàng Danh hiện nay khai phá các vỉa 6,7,8; khu cánh gà khai thác các vỉa 4,5,6,7. Mỏ than Hà Lầm được khai thác bằng phương pháp hầm lò từ thời Pháp đô hộ. Phương pháp khai thác truyền thống là lò chợ dây diều (lò chợ) cột dài theo phương. Công nghệ khai thác bằng khoan nổ mìn – chống giữ lò chợ bằng gỗ, vận chuyển trong lò chợ bằng máng cào SKAT – 80 than đến lò cái chân được rót vào goòng và được tàu điện kéo ra ngoài nhà sàng. Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 9 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
Hệ thống thông gió Như trên đã đề cập, hệ thống thông gió có vai trò quan trọng trong việc thông thoát khí, giảm thiểu các rủi ro độc hại và nguy cơ cháy nổ do khí gây nên do đó có thể thấy hệ thống thông gió ở tất cả các mỏ than khảo sát đều được đặc biệt coi trọng từ khâu thiết kế đến khâu vận hành hoạt động tuy nhiên quá trình sử dụng cũng bộc lộ nhiều vấn đề cần xem xét. Mỏ than Mông Dương là mỏ có phương pháp chuẩn bị bằng giếng đứng trung tâm và hệ thống thông gió chính sử dụng quạt gió BOKD–2,4 đẩy gió vào hai cánh đông, tây thuộc xuyên vỉa –97,5. Khu cánh đông từ dọc vỉa vận chuyển –97,5 H10 C8 theo các thượng mức (-89÷78) thông gió cho gương lò chợ (-55 H10 C8) và ra ngoài cửa lò thông gió +20 qua thượng đường ray mức (–97,5÷+14) H10 C8 thông gió cho gương lò chợ khai thác (–55÷25) ra lò thông gió –25 và ra trung gian +14 ra ngoài. Khu cánh tây gió sạch từ xuyên vỉa –97,5 cánh tây 1 nhánh vào thượng mức (–7,5÷+9,8) gương lò chợ (–97,6÷−40) ra lò xuyên vỉa mức +9,8 ra ngoài. Hệ thống thông gió lò chuẩn bị hiện tại có 4 gương lò chuẩn bị hoạt động. Chiều dài lớn nhất 450m được thông gió bằng ống sắt Φ500 nối tiếp bằng 6 quạt, quạt cục bộ có mã hiệu CBM-6 (14KW), đường lò ngắn, thông gió bằng ống vải tuồn. Do kỹ thuật thông gió và cách đấu nối thông gió càng về cuối càng hút gió quẩn, ống gió chất lượng không tốt gây rách và rò gió lớn. Đối với khu tây mỏ than Vàng Danh lại được thông gió nhờ quạt BOKD-1.5; khu Cánh Gà dùng quạt BOKD-1,1. Các đường lò chuẩn bị được thông gió bằng các quạt cục bộ CBM–5, CBM–6. Khảo sát ở mỏ than Hà Lầm cho thấy hiện tại công việc khai thác hầm lò chủ yếu ở mức –50, các lò chợ được thông gió bằng quạt CTD của Pháp (cũ). Thông gió các lò chuẩn bị nhờ các quạt cục bộ CBM – 5, T1KW (Trung Quốc). Ảnh hưởng của điều kiện môi trường tới các thiết bị phục vụ sản xuất Các thiết bị trong khai thác hầm lò phải làm việc trong một môi trường vô cùng khắc nghiệt. Do đó với cùng một loại thiết bị, ngoài các tính năng kỹ thuật như các thiết bị làm việc trong môi trường bình thường, chúng còn được thiết kế, chế tạo đặc biệt để đáp ứng được môi trường trong mỏ. Các đặc điểm đặc trưng môi trường như sau: ¾ Độ ẩm, nhiệt độ Do đặc điểm của sản xuất thường diễn ra ở sâu dưới mặt đất, nên độ ẩm rất cao (90 ÷ 100%), nhiệt độ phụ thuộc vào môi trường và phụ thuộc vào thông gió. ¾ Môi trường hóa học có hoạt tính cao Trong khi khai thác thường giải phóng ra các nguyên tố, các hợp chất tồn tại dưới cả 3 dạng: Rắn, lỏng, khí. Các chất này dưới tác động của môi trường và các xúc tác thực hiện các phản ứng hóa học phức tạp, tạo ra các hợp chất khác nhau, trong đó có các hợp chất mang tính axit, bazơ và các dung môi hoà tan Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 10 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
¾ Môi trường có các loại khí độc, khí cháy nổ Quá trình khai thác làm giải phóng ra các chất khí như: CO, CO2, CH4, N2, NO, NO2, SO2 Đặc biệt nguy hiểm đối với con người là khí CO và nguy cơ gây cháy nổ rất cao là khí CH4 Như vậy các thiết bị phục vụ sản xuất trong mỏ ngoài các tính năng kỹ thuật bình thường còn phải chịu đựng được các điều kiện môi trường như trên và đáp ứng được các yêu cầu về an toàn phòng chống cháy nổ. 2. Một số vấn đề về an toàn lao động trong khai thác hầm lò ([8], [9]) 2.1. Công tác an toàn ở các mỏ Tình hình an toàn tại các mỏ trên thế giới Khai thác hầm lò là một công việc hết sức nặng nhọc chịu nhiều nguy hiểm, rủi ro. Đặc biệt các tai nạn cháy, nổ khí làm thiệt hại nặng nề về người và vật chất. Ngay cả đối với các nước có ngành công nghiệp khai thác hùng mạnh như Nga, Ucraina, Trung Quốc, các tai nạn đáng tiếc vẫn xảy ra. Sau đây là một số ví dụ điển hình, theo thống kê chưa đầy đủ của các cơ quan chức năng: Tại Nga Ngày 02/12/1997 Tại mỏ than Zyryanovskaya ở phía nam Sebrian, thuộc vùng mỏ Kuzbass xảy ra vụ nổ khí mêtan làm 61 người chết Ngày 10/04/2004 vụ nổ gần đây nhất tại mỏ than Taizhina Liên bang Nga làm hơn 40 người chết. Tại Ucraina Tháng 4/1998: Tại mỏ than Donestk nổ khí metane làm 74 người chết. Ngày 24/5/1999 nổ khí mêtan ở độ sâu 3,482 bộ Anh (1000m) chết 30 thợ mỏ, 20 người mất tích (VASC trích dịch 25/5/99). 11/3/2000: 13h30 ở mỏ Barakova nổ khí mêtan làm chết 80 người. Tại Trung Quốc Ngày 08/05/2001 một vụ nổ khí mỏ than đã xảy ra ở tỉnh Heilongjiang phía đông nam Trung Quốc làm 9 người chết, 45 người mất tích (theo China Central Television – CCTV 08/05/2001) Ngày 22/07/2001 khoảng 106 công nhân đã bị mắc kẹt sau vụ nổ khí xảy ra tại mỏ than ở thành phố Xuzhou, tỉnh Jiangsu phía đông nam Trung Quốc. Sau khi cứu hộ đã tìm thấy 46 thi thể. (Theo Xinhua News Agency 23/07/2001) Ngày 25/11/2001 tại mỏ Wangjiying tỉnh Liaoning – Đông bắc Trung Quốc xảy ra nổ khí CH4 làm 77 người thiệt mạng (BBC 25/11/2001) Ngày 26/02/2002 tại mỏ than ở Hebei phía bắc Trung Quốc xảy ra liên tiếp 2 vụ nổ khí methane làm ít nhất 27 người thiệt mạng (Theo ABC News ngày 28/01/2002) Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 11 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
Ngày 14/11/2003 vụ nổ tại khu mỏ than Kiến Tân ở tỉnh Giang Tây Trung Quốc làm 48 người chết Thực trạng an toàn ở Việt Nam ở Việt Nam những năm trước, sản lượng khai thác còn thấp và đa số ở mức nông, do đó vấn đề an toàn trong khai thác mỏ chưa được chú trọng và đầu tư đúng mức. Nhưng trong những năm gần đây công suất khai thác liên tục gia tăng và ngày càng phải đi xa, xuống sâu. Hơn nữa, qua các nghiên cứu của ngành than, vùng than Quảng Ninh là loại than antraxit – có độ ngậm khí cao, có nơi khi xuống sâu, hàm lượng CH4 có thể đạt tới 28m3/tấn. Điều đó đồng nghĩa với khả năng gặp phải tai nạn, rủi ro ngày càng lớn. Có thể kể ra một số vụ cháy nổ khí gần đây ở Việt nam như vụ nổ ngày 11/1/1999 tại lò thượng V9B đông Công ty Than Mạo khê làm 19 người bị chết và 12 người bị thương. Vụ nổ tại đường lò V13 khu tây bắc ngã hai thuộc xí nghiệp khai thác than 190 Công ty Đông bắc ngày 29/5/1999 làm 3 người chết và 2 người bị thương. Hai vụ nổ liên tiếp trong ngày 19/12/2002 tại XN than Suối lại (Công ty than Quảng ninh) và XN 909 (Công ty Địa chất và khai thác khoáng sản) làm tổng cộng 13 người chết và 5 người bị thương. Độ chứa khí tự nhiên ở một số mỏ Việc khảo sát, đánh giá độ chứa khí tự nhiên ở các mỏ nhằm mục đích phát hiện các nguy cơ về tai nạn do khí, giúp cho việc xây dựng các biện pháp khai thác khả thi, cũng như công tác an toàn hữu hiệu Theo các số liệu thống kê của Viện KHCN Mỏ, và đánh giá mức độ nguy hiểm về khí của Tổng công ty Than Việt Nam kết quả đo khí ở một số mỏ như sau: ¾ Mỏ Thống Nhất Khí Nitơ (N2): Hàm lượng thay đổi từ 4,7 ÷ 99,34% Khí cháy nổ (H2 và CH4): Hàm lượng thay đổi từ 0,00 ÷ 94,91%; Độ chứa khí 0,00m3/T ÷ 15,832m3/T Khí Cacbonic(CO2): Hàm lượng thay đổi trong khoảng 0,00 ÷ 33,57%; Độ chứa khí: 0,00m3/T ÷ 1,602m3/T. Trong khoảng đất đá vây quanh, hàm lượng khí nổ (H2 + CH4) trong khoảng 13 ÷ 82%, độ chứa khí 0,059 ÷ 4,279 m3/T Kết quả đo đạc được ghi ở sổ đo khí của mỏ chứng minh rằng mỏ vượt quá 0,8% có khí ở nhiều gương lò và lò chuẩn bị kể cả khi được thông gió. Theo đánh giá của Tổng Công Ty Than Việt Nam, mỏ xếp loại II. ¾ Mỏ Mông Dương Các công tác riêng biệt nhằm nghiên cứu độ chứa khí của vỉa than và nham thạch trong khu thăm dò tỷ mỷ chưa được tiến hành do điều kiện kỹ thuật. Nhưng vụ cháy nổ đã xảy ra ngày 31 tháng 5 năm 1937 ở một lò thượng nằm ở giữa tầng –97 và -40 khi một vài giờ trước đó không thông được gió. Sau vụ nổ, lò thượng và các Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 12 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
cúp bị cháy, khí CH4 thường xuyên thoát ra, hàm lượng từ 0,6÷1,25%, có khi đến 1,75%. Nhiều lò đã phải đình chỉ và khí mêtan thoát ra. Tuy chưa có thăm dò về khí, song mỏ Mông dương là mỏ gần với mỏ Thống nhất đã được thăm dò cho thấy độ chứa khí tự nhiên ở đới khí mêtan đạt đến 15,83 m3/T. Với độ chứa khí như vậy khi xuống sâu và khai thác vào các vỉa than mới không tránh khỏi việc thoát khí hàm lượng lớn vào các gương lò, dẫn đến nguy hiểm nổ cháy. Được Liên xô (cũ) hỗ trợ về kỹ thuật, thiết bị. Với trang thiết bị hệ thống thông gió bảo đảm an toàn cho mỏ hoạt động với công suất lớn nên có điều kiện đưa khí CH4 ra ngoài. Nhưng mức khai thác hiện nay đã xuống sâu –97,5m nên thường xuyên xuất hiện khí CH4 ở hàm lượng cao. ở lò thông gió đạt đến 0,5% và đào thượng đến 2,5÷6% ở giới hạn nổ rất nguy hiểm. Kết quả đo đạc được thống kê ở sổ đo khí của mỏ cho thấy: nếu không được thiết kế điều chỉnh thông gió tốt, khí CH4 có thể thoát ra đến giới hạn gây cháy nổ khi có nguồn lửa hở. ¾ Mỏ Mạo Khê Từ những năm 1994 về trước đo đạc ít thấy xuất hiện khí CH4. Đặc biệt thời gian gần đây mỏ đã khai thác xuống dưới (+0); khí mêtan xuất hiện thường xuyên ở các lò chợ và lò chuẩn bị từ 0,25÷1%, trong đó khí của mỏ. Gần đây khi nghiên cứu đề tài mẫu khí ở khu vực lò chợ 9T đã vượt giới hạn cho phép 1%, khí các lò chuẩn bị trong than cao hơn mức độ cho phép 2%. Nguy hiểm hơn nữa khi không được thông gió hàm lượng khí CH4 nằm trong giới hạn cháy nổ. Đặc biệt tai nạn ngày 11/01/1999 đã để lại những hậu quả khủng khiếp và là một minh chứng cho việc mất cảnh giác trong việc phòng chống cháy, nổ khí CH4. Căn cứ vào kết quả phân tích và các nguy cơ thực tế, mỏ được xếp loại III về khí cháy nổ. ¾ Mỏ Vàng Danh Trước đây khai thác ở mức nông khí CH4 ít xuất hiện. Theo kết quả đo đạc gần đây 1996-1997 theo sổ đo khí của mỏ, kết quả cho thấy khí CH4 đã xuất hiện 0,02÷0,05% khi được thông gió tốt. Đột xuất khu lò chợ trụ 3 vỉa 8A Tây Vàng danh mức 260 xuất hiện mêtan 1%. Đến nay mỏ chưa có công trình nào nghiên cứu xếp loại mỏ theo mức độ nguy hiểm cháy nổ khí CH4. ¾ Mỏ Hà Lầm Việc khí CH4 xuất hiện gây cháy mỏ xảy ra năm 1975-1976 tại khu Hữu nghị gây thiệt hại lớn. Kết quả đo đạc cho thấy hàm lượng khí CH4 khi được thông gió tốt hàm lượng dưới mức độ an toàn cho phép, tuy nhiên khi ngừng thông gió hàm lượng có lúc tăng đến 0,75÷1,65% vượt quá giới hạn cho phép. Hiện nay mỏ đặc biệt quan tâm đến việc đo khí và thông gió, tuy vậy do khai thác xuống sâu ở luồng gió thải lò chợ đạt 0,3%. Căn cứ vào kết quả phân tích, theo quy phạm an toàn và thực tế đo đạc khí CH4, mỏ Hà Lầm được xếp loại II về nguy cơ cháy nổ. Theo các số liệu thống kê, phân tích các tai nạn, sự cố trong các báo cáo của tổng công ty than năm 1995, 1996, 1997 cho thấy số vụ cháy nổ khí chỉ chiếm 5% trong tổng số các vụ sự cố nhưng số ca tử vong lại chiếm đến 20% - đứng hàng thứ hai sau tai nạn ở khâu khai thác. Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 13 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
Các công tác bảo đảm an toàn Qua khảo sát thực tế các tại các mỏ lớn của vùng than Quảng Ninh như Mông Dương, Hà Lầm, Vàng Danh và Mạo Khê cho thấy: Những năm gần đây, do yêu cầu tăng sản lượng, các mỏ đã chú trọng đầu tư trang thiết bị mới cũng như đầu tư khai thác theo các công nghệ phù hợp nhằm bảo đảm năng suất khai thác và nâng cao độ an toàn khi xuống sâu. Những công tác an toàn về khí cháy nổ được thực hiện một cách nghiêm ngặt. Nhưng do khả năng đầu tư có hạn do đó phần lớn các thiết bị cũ từ thời Liên Xô cũ , thậm chí thời Pháp thuộc, và các thiết bị của Trung Quốc có độ tin cậy kém vẫn được tận dụng, đó là những nguy cơ phát sinh cháy,nổ. Mặt khác, công tác an toàn tuy được chú trọng nhưng phần lớn các thiết bị đo, cảnh báo khí cháy nổ là các thiết bị sử dụng công nghệ cũ, độ chính xác không được kiểm tra định kỳ. Đồng thời việc đo kiểm tra nồng độ khí hoàn toàn thủ công và rời rạc, phụ thuộc hoàn toàn vào ý thức và trách nhiệm của người đo. Thiết bị đo ở tất cả các mỏ khác phần lớn là các thiết bị xách tay di động, có ưu điểm như sau: • Cho phép thay đổi các vị trí đo một cách linh hoạt. • Chi phí đầu tư thấp Nhược điểm lớn của thiết bị loại này là: • Việc đo, lấy mẫu hoàn toàn thủ công. • Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào người thao tác. • Giám sát gián đoạn. • Lưu trữ kết quả khó khăn Do các nhược điểm như trên nên các mỏ chỉ tiến hành đo, giám sát khí một cách gián đoạn, theo chu kỳ (Đầu ca, giữa ca, cuối ca ) hoặc thậm chí có nơi nghi ngờ thì mới kiểm tra. Do đó không phát hiện kịp thời các phụt khí bất ngờ, dẫn đến lơ là trong công tác đo kiểm tra khí. Về mặt kiểm soát chất lượng thông gió chưa có mỏ nào ứng dụng tự động kiểm soát thông gió cục bộ, tự động điều khiển cửa chắn gió. 2.2. Vấn đề về phòng chống cháy nổ Đối với vấn đề phòng chống cháy nổ trong khai thác hầm lò, mêtan (CH4) là loại khí nguy hiểm nhất thường xuất hiện đặc biệt là khi khai thác xuống sâu do đó việc phòng chống sự cố cháy nổ khí mêtan trong ngành công nghiệp khai thác than hầm lò luôn được coi trọng là nhiệm vụ quan trọng hàng đầu. Tình hình xuất khí mêtan trong các mỏ than hiện nay Khí mêtan (CH4) có nguồn gốc từ than (gọi tắt là khí than) là một trong nhiều loại khí thiên nhiên được hình thành trong quá trình sinh hoá biến đổi vật chất hữu cơ ban đầu và quá trình biến chất than tiếp theo dưới tác động của nhiệt và áp suất. Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 14 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
Khí mêtan có thể cháy và nổ khi gặp ngọn lửa trần và nồng độ khí từ (5 ÷ 15)% (khả năng dễ cháy nổ nhất là 9,5%). Khi có sự cố cháy nổ thì trong hầm lò nhiệt độ có thể lên tới 2650oC và áp suất lên tới 10at. Phương trình phản ứng tổng quát cho khí cháy là: CmHn + (m+n/4)O2 ==> mCO2 + (n/2)H2O Với khí mêtan ta có phương trình: CH4 + 2O2 ==> CO2 + 2H2O Điều kiện cháy nổ của khí mêtan (CH4) phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố: nồng độ o của khí Metan (%CH4), Oxy (%O2), áp suất (at), Nhiệt độ ( C) và độ ẩm tương đối (%RH). Bảng sau đây mô tả đặc tính cháy nổ của một số loại khí tự nhiên (thường là khí ở mỏ than Metan) hoặc khí dầu mỏ (thường là Metan, Ethane, Propane, Butane ) (Loại khí) (Điểm bốc cháy) (Giới hạn nổ) Name of Gas Ignition point oC Explosive limit L.E.L U.E.L vol% vol% Methane 537 5.0 15 Ethane 515 3.0 15.5 Propane 470 2.0 9.5 Butane 365 1.5 8.5 Bảng 1 : Đặc tính cháy nổ của một số loại khí tự nhiên Trong ngành than Việt nam hiện nay, sản lượng khác thác ngày càng tăng, nhưng lượng than lộ thiên ngày một giảm. Do đó chúng ta phải tăng cường hình thức khai thác than hầm lò. Khai thác càng xuống sâu thì nguy cơ cháy nổ khí mêtan ngày càng lớn. Trên thế giới cũng như ở Việt nam trong các năm vừa qua đã xẩy ra rất nhiều vụ cháy nổ khí làm chết hàng chục, thậm chí hàng trăm người. Sau tai hoạ ngày 11/1/1999 Tổng công ty than Việt Nam đã rất quan tâm tới vấn đề an toàn lao động và phòng ngừa sự cố cháy nổ khí mêtan tại tất cả các mỏ than. Ngay trong năm 1999 Tổng Công ty Than Việt Nam (TVN) đã trang bị một hệ thống monitoring của Ba Lan cho mỏ than Mạo Khê. Tiếp sau đó, TVN đã được chính phủ Nhật Bản trang bị cho một hệ thống monitoring khác và cũng lại triển khai lắp đặt cho mỏ Mạo Khê (Mỏ có mức độ xuất khí cao nhất trong TVN). Căn cứ vào mức độ và hình thức xuất khí mêtan người ta phân thành các loại mỏ như Bảng 2 sau: Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 15 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
Độ thoát khí mêtan tương đối Loại mỏ theo khí mêtan (m3/T.than.ngđ) I < 5 II Từ 5 đến < 10 III Từ 10 đến < 15 Siêu hạng ≥ 15, những mỏ có nguy hiểm xì khí Nguy hiểm phụt khí bất ngờ Mỏ hầm lò khai thác các vỉa than nguy hiểm phụt than và khí bất ngờ Bảng 2 : Phân loại mỏ theo khí mêtan Theo báo cáo kết quả của dự án Quy hoạch tổng thể phân loại mỏ theo cấp khí nổ để phát triển ngành than vùng Quảng Ninh đến năm 2010 thì độ thoát khí tương đối và dự báo của một số mỏ như sau (Bảng 3): Độ thoát khí CH tương đối (m3/T.ngđ) TT Mỏ 4 2002 2003 2004 2005 2010 1 Khu 56 Mạo Khê 12,79 13,18 14,66 15,20 23,88 2 Nam Mẫu 0,17 0,18 0,32 0,10 0,37 3 Vàng Danh (TVD) 0,58 0,56 0,60 0,54 0,68 4 Hà Lầm 1,57 1,68 1,75 1,70 2,64 5 Cao Thắng (BBD) 2,07 1,548 2,19 3,094 4,83 6 Giáp Khẩu 1,829 3,148 3,018 3,126 9,700 7 Thành Công 3,30 3,512 8,600 8,937 14,044 8 Ngã Hai 4,962 7,390 7,480 7,480 14,840 9 Thống Nhất (Lộ Trí) 2,772 2,772 2,772 2,315 4,895 10 Dương Huy 0,124 0,133 0,127 0,137 0,517 11 Khe Chàm 6,724 6,724 11,853 10,978 13,965 12 Mông Dương 0,600 0,595 0,971 0,884 0,971 Bảng 3 : Độ thoát khí mê-tan tương đối Chúng ta thấy hiện nay chỉ có mỏ Mạo khê được xếp vào mỏ loại III, mỏ Khe Chàm loại II còn hầu hết là mỏ loại I. Đến năm 2010 thì số lượng mỏ loại II và loại III tăng lên rất nhiều. Theo thông tin phân loại mỏ mới nhất (đầu năm 2004) thì mỏ Mạo Khê đã được đưa lên thành mỏ siêu hạng. Hiện nay Tổng công ty Than Việt Nam quy định bắt buộc đối với các mỏ là phải đo kiểm soát khí tại tất cả các khu khai thác trong mỗi ca sản xuất, do đó vấn đề thiết kế hệ thống đo, kiểm soát khí và các thông số môi trường khác trong hầm lò nói chung và thiết kế các máy đo xách tay là rất cần thiết và bức bách. Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 16 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
2.3. Vấn đề về môi trường độc hại Khí cacbon-monoxit (CO) CO là một loại khí không màu, không mùi, không vị, tỷ trọng 0,967, tạo ra do sự cháy không hoàn toàn của các vật liệu có chứa cacbon. Thông thường hàm lượng khí oxy trong không khí ở dưới các đường hầm khai thác than không cao, nên quá trình hình thành khí CO một cách tự nhiên và do các vụ cháy nổ rất dễ dàng. Khí CO là loại khí rất độc hại, người và động vật có thể chết đột ngột khi tiếp xúc hít thở khí CO, do nó tác dụng mạnh với hemoglobin (Hb, mạnh gấp 250 lần so với oxy), lấy oxy của hemoglobin và tạo thành cacboxyhemoglobin, làm mất khả năng vận chuyển oxy của máu và gây ngạt. Nhiễm độc cấp CO thường bị đau đầu, ù tai, chóng mặt, buồn nôn, mệt mỏi, co giật, rồi bị nôn mê. Nếu bị nhiễm nặng thì bị hôn mê ngay, chân tay mềm nhũn, mặt xanh tím, bị phù phổi cấp, dẫn đến tử vong. Nhiễm độc mãn tính CO thường bị đau đầu dai dẳng chóng mặt, mỏi mệt, sút cân. Mỗi năm trên thế giới có hàng trăm người bị chết do trúng độc khí CO. Khí sulfuroxit (SOx) Trong than ở các mỏ đều có chứa lưu huỳnh, trong quá trình cháy than, xảy ra phản ứng giữa lưu huỳnh và oxy trong không khí, chủ yếu tạo thành khí sulfurdioxit (SO2) và một phần rất nhỏ khí sulfurtrioxit (SO3) Khí SO2 không màu, có vị cay, mùi khó chịu. Trong môi trường ẩm ướt, SO2 tác dụng với nước tạo thành dung dịch axit sulfuric (H2SO4) – là dung dịch ăn mòn các thiết bị kim loại trong mỏ. Khí cacbonic (CO2) Là sản phẩm chủ yếu của quá trình cháy các chất hữu cơ, đặc biệt là than trong mỏ. Hàm lượng CO2 lớn có thể gây ngạt cho công nhân và làm tăng nhiệt độ trong mỏ, ảnh hưởng tới quá trình sản xuất. Trong ngành công nghiệp khai thác than hầm lò, việc đảm bảo an toàn cho công tác mỏ là một nhiệm vụ cực kỳ quan trọng, trong đó nhiệm vụ phòng chống sự cố cháy nổ khí CH4 luôn luôn được coi là nhiệm vụ hàng đầu. Ngoài ra các điều kiện vi khí hậu trong mỏ như: Nhiệt độ, tốc độ gió, độ ẩm, chất lượng gió và các loại khí độc khác có ảnh hưởng trực tiếp đến phát sinh cháy nổ và ảnh hưởng tới sức khoẻ con người. Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 17 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
2.4. Vấn đề về thoát khí trong khai thác Việc thoát khí mêtan ở trong mỏ hiện được thực hiện dưới 3 dạng sau: Dạng thoát khí thông thường ¾ Đặc điểm của dạng thoát khí thông thường Dạng này gồm các hiện tượng thoát mêtan từ các mặt lộ phía ngoài của các than và đất đá mỏ, từ các khối than được tách khỏi khối nguyên từ các vỉa than tiếp cận đối với vỉa đang khai thác, từ khoảng trống đã khai thác. Đây là quá trình kéo dài, được xác định bởi hiện tượng nhả và lọc khí mêtan ra mặt ngoài của than và đất đá. Sự thoát khí mạnh vẫn là những ngày đầu khi mới làm lộ bề mặt, mạnh nhất trong khoảng 40÷50 phút sau khi than bị tách ra khỏi nguyên khối. Dạng thoát khí thông thường phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố khác nhau từ nhóm các điều kiện tự nhiên cũng như nhóm các yếu tố kỹ thuật công nghệ. ¾ Mức độ nguy hiểm và biện pháp phòng chống đối với dạng thoát khí thông thường Đây là dạng thoát khí phổ biến nhất và chiếm phần lớn lượng mêtan thoát ra trong quá trình khai thác mỏ. Tuy nhiên dạng thoát khí này không gây nguy hiểm lớn vì nó chỉ làm tăng hàm lượng mêtan trong không khí mỏ, tính nguy hiểm của nó chỉ xuất hiện khi hàm lượng mêtan vượt quá giới hạn an toàn tới giới hạn gây nổ. Phòng chống dạng thoát khí thông thường chủ yếu nhờ công tác thông gió mỏ, mà bản chất của nó là đưa một lượng gió vào mỏ và phân phối nó tới các đường lò đủ để hoà loãng lượng khí mêtan thoát ra có hàm lượng mêtan dưới giới hạn nổ mà công tác an toàn qui định. Dạng xì khí mêtan trong lò ¾ Đặc điểm của dạng xì khí mêtan Đây là dạng thoát khí mêtan tự do từ các khe nứt, các lỗ trông thấy được, các khe nứt này phát sinh từ các quá trình địa chất cũng như công nghệ khai thác. ở dạng thoát khí này có dấu hiệu đặc trưng là có tiếng kêu như gió thổi. Khi đó qua các khe nứt và lỗ hổng một lượng khí mêtan từ một đến vài ngàn mét khối sẽ thoát ra. Nguồn gốc của dạng thoát khí này là các vỉa tiếp cận vỉa và vỉa đang khai thác có độ chứa khí tự nhiên tương đối cao, áp suất khí trong vỉa lớn. Thực tế dạng thoát khí này xảy ra chủ yếu trong các đường lò chuẩn bị và lò cái. ¾ Mức độ nguy hiểm và biện pháp phòng chống Đây là một dạng thoát khí nguy hiểm, bởi vì trong một thời gian ngắn hàm lượng khí mêtan trong không khí mỏ tăng rất nhanh, nó không chỉ có khả năng gây nổ mêtan mà còn làm hàm lượng ôxy giảm mạnh, tới mức gây ngạt cho con người. Cường độ xì khí thường vào khoảng 5÷6 m3/phút, cá biệt có trường hợp đạt tới 15÷17 m3/phút. Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 18 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
Để đảm bảo an toàn trong công tác mỏ khi đào lò đến vùng có xì khí mêtan cần phải áp dụng các biện pháp đề phòng tương tự các biện pháp phòng chống sự phụt khí và than. Dạng phụt khí và than Đây là dạng xuất khí tập trung tức thời xảy ra trong một thời điểm hết sức ngắn. Khi đó ở gương lò một lượng khí lớn thoát ra (đến hàng chục ngàn mét khối) đồng thời một lượng than vụt lớn cũng được phụt ra. Sự phụt khí sinh ra ở các đường lò chuẩn bị, lò chợ cũng như điểm giao nhau giữa vỉa than và lò xuyên vỉa. Sự phụt khí không những xảy ra những vỉa than có độ kiên cố nhỏ mà còn ở cả những vỉa than có độ kiên cố lớn. Sự phụt khí đôi khi xảy ra ở những nơi mà điều kiện địa chất phức tạp (vỉa than có nhiều phay phá uốn nếp). Đối với các vỉa than có góc dốc lớn sự phụt khí xảy ra thường từ trên xuống dưới theo độ dốc. Song cũng có nhiều trường hợp phụt khí ở gương lò theo phương hoặc từ dưới lên. Trong quá trình phụt khí ở đường lò bị bẻ gãy tạo ra một lỗ hổng, mà qua đó khí và than được phụt ra. Đây là dạng xuất khí nguy hiểm nhất bởi vì: Công nhân làm trong đường lò có thể bị vùi lấp trong than vụn trong khoảnh khắc, do lượng khí thoát ra nhiều và nhanh làm cho không gian đường lò bị khí hoá nhanh chóng gây ngạt cho con người, đồng thời khi không khí có hàm lượng mêtan cao có thể gây cháy hoặc nổ nếu xuất hiện tia lửa. Với tất cả các mức độ nguy hiểm đã nêu, phụt khí và than được coi là một sự cố nguy hiểm trong công nghiệp mỏ. Tuy nhiên việc xác định các yếu tố gây nên phụt khí và than là hiện vẫn là vấn đề hết sức khó khăn. 2.5. Các thông số môi trường cần kiểm soát trong khai thác hầm lò Về các thông số cần kiểm soát trong hầm lò đã được trình bày trong báo cáo định kỳ (Kỳ 2) về đo khí và các thông số khác. Ngoài khí mê tan gây ra cháy nổ thì còn nhiều loại khí khác ảnh hưởng tới sức khoẻ và an toàn của người lao động trong khai thác hầm lò. Các loại khí đó là: − Khí CO: Liên quan tới vấn đề cháy ngầm của than dưới lòng đất − Khí CO2, O2: Ảnh hưởng tới quá trình hô hấp của con người − . Nồng đồ các khí trên phụ thuộc chủ yếu vào vấn đề thông gió trong hầm lò, nếu thông gió tốt thì nồng độ các khí này đều rất thấp, không gây ra nguy hiểm. Vì vậy, để đảm bảo an toàn cho người lao động trong khai thác hầm lò, các thông số môi trường cần kiểm soát là: Khí mêtan, khí CO, CO2, tốc độ gió (lưu lượng gió), nhiệt độ, độ ẩm, O2; Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 19 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
3. Thiết bị điện trong khai thác mỏ ([10],[11]) Do các yêu cầu về an toàn phòng chống cháy nổ và điều kiện làm việc đặc biệt khắc nghiệt nên các thiết bị điện trong khai thác mỏ hầm lò ngoài các công năng của một thiết bị bình thường, còn được thiết kế, chế tạo để có được kết cấu và vận hành đảm bảo an toàn, độ tin cậy cao. 3.1. Phân loại thiết bị điện trong hầm mỏ Việc phân loại thiết bị điện trong mỏ nhằm mục đích giúp cho việc thiết kế, chọn thiết bị tối ưu. Có nhiều cách phân loại thiết bị điện trong mỏ, theo các tiêu chí khác nhau. Dưới đây là một số cách Căn cứ vào nơi đặt, các thiết bị điện được chia làm 2 nhóm: Nhóm I: Thiết bị điện sử dụng trong các mỏ hầm lò, trong đó có các mỏ nguy hiểm về khí và bụi nổ; Nhóm II: Thiết bị điện để sử dụng tại những nơi nguy hiểm nổ ở trong nhà và ngoài trời (nhà và công trình trên mặt bằng mỏ cạnh giếng). Các thang nhiệt độ Nhiệt độ tự bốc cháy (°C) T1 450 T2 300 T3 200 T4 135 T5 100 T6 80 Bảng 4 : Thang nhiệt độ thiết bị điện mỏ nhóm II Căn cứ vào điện áp sử dụng định mức và dòng điện ngắn mạch, thiết bị điện mỏ nhóm I được chia thành phân nhóm 1, 2, 3, 4. Căn cứ vào mức độ bảo vệ nổ, thiết bị mỏ nhóm II được chia thành phân nhóm A, B, C. Tùy theo giá trị nhiệt độ tự bốc cháy của bầu không khí tại chỗ đặt, thiết bị điện mỏ được phân chia theo các thang nêu ở Bảng 4. Theo điều kiện vận hành các thiết bị điện mỏ được chia thành ba loại: Thiết bị điện cố định: được lắp đặt cố định một nơi, không di chuyển trong quá trình vận hành như: thiết bị của các trạm biến áp, các trạm bơm nước, các trạm quạt, các trạm trục.v.v ; Thiết bị di động: thường xuyên di động trong quá trình làm việc như: thiết bị điện trên máy xúc tải, trên các đầu tàu điện mỏ, các máy đào khấu trong gương công tác.v.v ; Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 20 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
Thiết bị cầm tay: thường xuyên phải cầm trên tay trong quá trình làm việc như: búa khoan điện, đèn xách tay. Theo điều kiện “Bảo vệ nổ” các thiết bị điện mỏ được chia ra các loại sau đây: Thiết bị điện có vỏ không xuyên nổ Thiết bị điện có mạch an toàn tia lửa Thiết bị điện tăng cường độ tin cậy chống nổ Thiết bị điện được chế tạo đặc biệt 3.2. Các yêu cầu đối với thiết bị điện trong hầm lò Vận hành an toàn Cho bản thân thiết bị cũng như môi trường xung quanh. Vỏ thiết bị phải kín, khít đảm bảo không cho tia lửa (nếu phát ra từ thiết bị) tiếp xúc với môi trường có khí CH4 xung quanh, kết cấu cơ khí phải vững chắc để cách ly các vụ nổ bên trong cũng như bên ngoài thiết bị. Ngoài ra vỏ thiết bị còn có tác dụng chống lại các điều kiện khắc nghiệt của môi trường trong hầm lò như: độ ẩm cao, môi trường hoá học hoạt tính mạnh, bụi dẫn điện, nhiệt độ Độ tin cậy Trong khi vận hành dưới hầm mỏ, yếu tố tin cậy được đặt lên hàng đầu, mọi sai sót của thiết bị điện đều dẫn đến hậu quả nguy hiểm. Ngoài ra việc sửa chữa, khắc phục sự cố trong hầm mỏ là hết sức khó khăn. Tính cơ động Do đặc điểm vị trí làm việc luôn thay đổi theo tiến độ khai thác nên các thiết bị phải được kết cấu sao cho dễ dàng cho việc tháo lắp, phát triển hệ thống, đồng thời dễ sử dụng. 4. Cơ sở lý thuyết và yêu cầu của các cảm biến khí 4.1. Cơ sở lý thuyết Thành phần khí CH4, CO2, O2 và CO trong không khí được tính theo tỷ lệ thể tích (% vol), hoặc tỷ lệ ppm. Khi nồng độ CH4 cao thì sẽ gây ảnh hưởng đến môi trường và có thể gây cháy nổ, còn khi nồng độ khí CO2, O2 và CO cao sẽ gây ra ngộ độc hoặc ngạt thở, nếu cao quá sẽ dẫn đến tử vong. Trong các mỏ than khí Metan (CH4) và khí khác do các chất thải hữu cơ dưới nền đất theo quá trình hoá sinh kết hợp với các chất dinh dưỡng và ôxy tạo ra, lúc ban đầu gọi là quá trình - 3- háo khí sẽ sinh ra các chất khí CO2, H2O, NO3 , PO4 sau một thời gian oxy ban đầu giảm dần và chuyển sang quá trình ám khí (hoặc yếm khí), các chất khí sinh ra là CH4, CO2, N2 Quá trình hình thành các chất khí này được mô tả như Hình 1. Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 21 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
Háo khí Yếm khí Nồng độ Trạng thái ổn định 75 CH 4 CO2 50 25 N 2 Thời gian Hình 1 : Quá trình sinh ra khí CH4, CO trong mỏ 4.2. Yêu cầu của các cảm biến Các cảm biến dùng trong hầm lò phải đáp ứng đầy đủ các yêu cầu sau: • Khả năng sử dụng để đo liên tục trực tiếp trong môi trường khí cần phân tích hoặc đo gián tiếp trên một luồng khí phân nhánh với mục đích thay đổi một số thông số vật lý của nó (như nhiệt độ, áp suất, tốc độ lưu thông, hoặc tránh bụi bẩn) • Có khả năng làm việc với nhiệt độ và độ ẩm cao • Làm việc ổn định, tuổi thọ cao • Độ nhạy ít thay đổi theo các thông số môi trường và thời gian làm việc • Không có sự can thiệp của con người ở từng lần đo 4.3. Các phương pháp cảm biến khí Để đo lường, kiểm soát được các loại khí người ta có nhiều phương pháp khác nhau và công nghệ chế tạo sensor cũng không ngừng được cải tiến nhằm tạo ra các sensor có độ nhạy cao, dải làm việc cũng như phạm vi tuyến tính rộng, tiêu thụ ít năng lượng, tuổi thọ dài, Sau đây xin trình bày một số phương pháp cảm biến thông dụng, được dùng chủ yếu trong các sensor trên thị trường hiện nay. Đo bằng phương pháp hấp thụ tia hồng ngoại (dùng cho đo khí CH4 và CO) Có rất nhiều cấu tử khí trong dải hấp thụ tia hồng ngoại trong đó CO là một. Sự hấp thụ tia hồng ngoại của ôxit cacbon khoảng bước sóng hồng ngoại λ khoảng 4.7μm sẽ đo được nồng độ của nó. Đồ thị biểu diễn khả năng hấp thụ tia hồng ngoại của CO theo bước sóng hồng ngoại: Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 22 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
%CO 100 80 60 40 20 2 4 4.7 6 8 μm Hình 2 : Khả năng hấp thụ tia hồng ngoại của CO theo bước sóng Sơ đồ nguyên lý của sensor hấp thụ tia hồng ngoại như sau: Nguồn phát tia Màn che hồng ngoại Thiết bị phản xạ Thiết bị lọc Thiết bị chuẩn Thiết bị phân tích Bộ lọc quang Buồng thẩm thấu Màng kim loại Màng kim loại có lỗ thông hơi Bộ phát hiện Hình 3 : Nguyên lý của sensor hấp thụ tia hồng ngoại ¾ Nguyên lý hoạt động Hai chùm tia phản xạ của tia hồng ngoại được chiếu vào buồng phân tích, bộ phận màn che làm cho hai chùm tia không liên tục nhưng luôn xẩy ra đồng thời. Trong Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 23 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
đó, một chùm tia được đưa vào thiết bị phân tích, một chùm tia được đưa vào thiết bị chuẩn và đưa đến bộ phát hiện. − Bộ phát hiện bao gồm 2 buồng thẩm thấu được xử lý một cách riêng rẽ bởi 2 màng mỏng kim loại. Một màng có lỗ thủng xuyên qua, 2 màng này đặt tiếp giáp nhau tạo thành một tụ điện. Hai buồng này được đưa khí vào sao cho đặc tính của khí được xác định bằng việc thẩm thấu. − Thiết bị chuẩn được đưa khí không thẩm thấu vào: + Nếu thiết bị phân tích cũng được đưa khí không thẩm thấu vào thì điện áp ra sẽ cân bằng. + Nếu thiết bị phân tích được đưa mẫu có các phần tử thẩm thấu vào thì điện áp ra trên khác không. Đo điện áp ta suy ra được lượng khí. Phương pháp bán dẫn ¾ Sơ đồ nguyên lý Sensor Cuộn dây Pt Hình 4 : Sơ đồ nguyên lý cảm biến bằng phương pháp bán dẫn Cảm biến loại này dựa trên nguyên lý thay đổi độ dẫn điện của một màng mỏng bán dẫn khi hấp thụ chất khí trên bề mặt. Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm dùng ôxit titan TiO2 để hiệu chỉnh động cơ nổ. Tại điểm cân bằng hóa học, sự thay đổi của áp suất ôxi riêng phần trong luồng khí thải của động cơ gây nên sự thay đổi đáng kể của điện trở màng ôxit. Màng mỏng ôxit thiếc được chế tạo trên đế dạng hình ống làm bằng Al2O3 . Hai dây dẫn bằng vàng được nối với hai vòng bằng kim loại trên bề mặt đế để dẫn điện ra ngoài. Sợi đốt ở phía trong của đế hình ống được dùng để nung nóng cảm biến đến nhiệt độ làm việc (350°C). Sự hấp thụ khí trên bề mặt màng ôxit bán dẫn tạo nên điện tích không gian làm thay đổi mật độ hạt dẫn tương ứng với sự thay đổi độ dẫn bề mặt. Các cảm biến này có tính lựa chọn thấp và độ dẫn là hàm của nhiệt độ môi trường, độ ẩm và áp suất riêng phần của ôxi. Nhược điểm của phương pháp này là ổn định Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 24 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
theo thời gian thấp, thường xuyên phải chuẩn lại hoăc thay thế. Ưu điểm của chúng là giá thành rẻ. Để cải thiện tính lựa chọn của cảm biến người ta phải chọn nhiệt độ làm việc thích hợp và pha thêm vào lớp oxit một chất xúc tác như Pd, Cu, Ni, Pt. Cảm biến này dùng để phát hiện CO, CH4, H2S và NOx. Cảm biến áp điện thạch anh ¾ Sơ đồ nguyên lý Bộ dao động Đến tần số Thạch anh Nguồn nuôi Hình 5 : Sơ đồ nguyên lý cảm biến áp điện thạch anh Thiết bị bao gồm bộ phận chính là cảm biến điện áp chế tạo từ một tấm tinh thể thạch anh loại tần số 9MHz. Kích thước một chiều 10 → 16 mm, bề dày 0.19mm, các điện cực hình tròn có đường kính 3 → 8 mm, chiều dày 0.3 → 1 μm. Trên bề mặt của tấm thạch anh được phủ 2 lớp hấp thụ chọn lọc đối với lớp khí phân tích, các chất hấp thụ này có độ ổn định theo thời gian. ¾ Nguyên lý hoạt động Tần số dao động của tinh thể thạch anh giảm khi nó hấp thụ các thành phần khí trên bề mặt. Sự biến thiên tần số dao động ΔF của thạch anh là hàm của nồng độ hấp thụ được mô tả theo phương trình sau: ΔF = K*C Trong đó: C: Nồng độ chất khí phân tích. K: Hằng số đặc trưng của tinh thể thạch anh. Như vậy khi biết hằng số K và sự biến đổi tần số ΔF chúng ta dễ dàng tính được nồng độ chất khí cần phân tích Cảm biến này được ứng dụng nhiều trong công nghiệp tế những năm 1964. Nó được ứng dụng trong việc phân tích khí HC, SO2, NOx Phương pháp quang phổ phát xạ Dựa trên hiện tượng phát xạ ánh sáng có bước sóng đặc trưng cho vật chất cần phân tích. Một vật cần phân tích được kích thích phát quang bằng hồ quang hoặc tia lửa điện, ánh sáng phát ra là một ánh sáng đa sắc, vì vậy muốn tách thành nhiều ánh sáng đơn sắc, người ta cho chùm ánh sáng qua một lăng kính; chùm ánh sáng đa sắc Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 25 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
được giải ra thành nhiều chùm ánh sáng đơn sắc, trên một giải quang phổ trong không gian. Vị trí của chùm ánh sáng được thay đổi theo góc đặt của lăng kính. Một quang kế được đặt tại một vị trí trên đường đi của các chùm tia đơn sắc để đo cường độ sáng của chùm tia đó. Tùy theo nồng độ của chất phân tích mà cường độ phát xạ lớn hay nhỏ. Như vậy,với phương pháp này ta xác định được cả định tính và định lượng. Muốn xác định định tính ta xác định theo góc của lăng kính. Để tính định lượng ta xác định theo cường độ sáng của chùm sáng đơn sắc (đặc trưng cho vật chất) bằng quang kế. Quang phổ phát xạ cũng có thể chụp lên phim để có thể xác định các vạch đặc trưng của vật chất phân tích đồng thời cũng có thể sử dùng một quang kế để định lượng nồng độ chất có trong hỗn hợp. Phương pháp này được ứng dụng trong việc xác địng hầu hết các loại khí như: CO, HC, NOx, H2S Cảm biến đốt xúc tác (catalytic) ¾ Cấu tạo của Sensor Hộp nhỏ Hộp bảo vệ Cuén dây bằng Platine Chốt Chất xúc tác Các chân ra Hình 6 : Cấu tạo sensor cảm biến đốt xúc tác Một cuộn dây 50μm bằng Pt được đặt trên 2 bộ đỡ bằng dây. Nó hoạt động giống sự kết nối điện. Cuộn dây được gắn vào bên trong một hộp nhỏ được làm bằng AL cỡ 1mm. Alumin được tẩm một trong các chất xúc tác như Pt, Pd, hoặc hỗn hợp Pd-ThO2. Các chất xúc tác này có tác dụng làm tăng độ nhạy của cảm biến. Loại Sensor này thường được gọi là “Pellistor”. Sensor được đặt trong hộp bảo vệ sao cho khí vào sensor được điều khiển lớn và phân tán. Cảm biến xúc tác được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp để phát hiện chất khí dễ nổ dẽ cháy. Thông thường cảm biến được lắp vào một mạch cầu Wheastone với một phần tệ khác không nhạy với chất khí phân tích. Hai phần tệ này được nung nóng bằng hiệu ứng Joule. Khi có mặt chất khí dễ cháy, hiện tượng cháy làm tăng Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 26 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
nhiệt độ cảm biến dẫn đến sự mất cân bằng của cầu và tạo ra tín hiệu tương ứng với hàm lượng chất khí dễ cháy trong hần hợp khí. Cảm biến này có thể đo được nhiều chất khí khác nhau như: CH4, H2, CO Phương pháp điện- hoá Cảm biến điện hoá gồm 2 điện cực chính được đặt vào một dung dịch điện phân. Một cực được gọi là cực làm việc, tại cực này xảy ra các phản ứng ôxi hoá giữa dung dịch với chất khí cần xác định tạo ra các điện tích tự do e và các ion. Cực thứ 2 sẽ tạo ra phản ứng giữa ion được tạo ra ở cực kia với các chất ngoài không khí để trung hoà điện tích trong dung dịch và đồng thời nó có dòng điện do electron tự do của phản ứng ôxi hoá. Với việc xác định dòng điện ta sẽ xác định được nồng độ khí đưa vào. Sensor loại này thích hợp cho đo khí CO, H2S, Khuyến cáo của nhà sản xuất Mỗi một loại khí có dải nguy hiểm riêng, cũng như các thuộc tính hoá học khác nhau, do đó với mỗi loại khí chúng ta cần phải lựa chọn loại sensor thích hợp. Sau đây chúng tôi xin đưa ra khuyến cáo sử dụng sensor của một hãng sản xuất có uy tín của Nhật. Khuyến cáo phương pháp sử dụng với các loại khí khác nhau của nhà sản xuất (Nemoto): • Các khí dễ cháy: Hidro, Mêtan, Prôpan, Izô-butan, hơi xăng, Êtanol, vv 0,001% 0,01% 0,1% 1% 10% N ồng độ khí Lo ại Sensor • Các khí độc: H2S, SOx, HCl, Cl, CO, vv 0,1ppm 1ppm 10ppm 100ppm 0,1% 1% Nồng độ khí Loại sensor • Các loại khí thải: Êtanol, khói thuốc, các khí có mùi khó chịu. 0,1ppm 1ppm 10ppm 100ppm 0,1% 1% Nồng độ khí Loại sensor • Các khí trơ: Cácbon điôxít, các khí Frêon 0,01% 0,1% 1% 10% Nồng độ khí Loại sensor Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 27 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
Trong đề tài này ta cần đo chính là khí CH4, với ngưỡng cháy nổ dưới (LEL) là 5%, cho nên theo khuyến cáo của nhà sản xuất thì chúng ta sử dụng loại sensor đo khí mêtan là loại làm việc theo nguyên lý catalytic. Ưu điểm của sensor làm việc theo nguyên tắc catalytic là: • Thời gian nung ngắn, tốc độ đáp ứng nhanh • Độ nhậy khí cao và ít thay đổi trong thời gian làm việc 0 • Bền với nhiệt độ và độ ẩm cao (50 C, 95% RH) 0 • Có thể lưu giữ lâu ở nhiệt độ và độ ẩm cao (50 C, 95% RH) • Có khả năng chịu rung và va đập • Tuổi thọ cao • Nhiệt độ làm việc thấp so với điểm bốc cháy nên rất an toàn Để đo khí CO ta dùng loại sensor điện hoá hoặc bán dẫn, còn đo khí CH4 và CO2 dùng sensor loại catalytic. 4.4. Giới thiệu về các loại sensor lựa chọn Sensor đo khí CO Qua tìm hiểu trên thi trường chúng tôi lựa chọn sensor loại NAP 701 của hãng Nemoto (Nhật) để đo khí CO, đây là sensor làm việc theo nguyên lý điện hoá. ¾ Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Màng mỏng cho khí xuyên qua O2 Điện cực khô Điện cực + Dòng CO2 2H điện 2H+ Điện cực Dung dịch điện H O 2 chuẩn CO phân H2O Điện Output trở Điện cực làm việc + - CO+H2O →CO2+2H +2e POTENTIOSTAT Hình 7 : Nguyên lý hoạt động sensor đo khí CO Cấu tạo bên trong của NAP-701 gồm: điện cực, màng lọc và dung dịch điện phân. Điện cực gồm nhiều lớp phân thành các cực: cực làm việc (working electrode), ở đây tạo ra phản ứng ôxi hóa khử; cực đếm (counter electrode) có tác dụng làm hạn Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 28 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
chế phản ứng ôxi hoá ở cực làm việc và cực chuẩn (reference electrode) có tác dụng quản lý và điều khiển chiết áp, mà giá trị của nó phụ thuộc vào phản ứng ôxi hóa. Màng lọc được làm bằng vât liệu đặc biệt, chúng có khả năng loại trừ khí nhiễu: NOx, SO2 . . . Nguyên lý hoạt động: NAP-701 hoạt động theo phương pháp hóa -điện. Khi khí CO được thổi vào, tại cực làm việc sẽ xảy ra phản ứng ôxi hóa tạo ra ion H+. ¾ Phương trình phản ứng + - CO + H2O → CO2 + 2H + 2e + Đồng thời tại cực đếm H sẽ xảy ra phản ứng với O2 ngoài không khí tạo thành nước. Điện tích e của phản ứng tạo ra dòng điện, dòng điện này tỷ lệ với lượng khí CO đưa vào. Như vậy, qua việc đo dòng điện ta sẽ xác định được nồng độ khí CO cần tìm. 22,4 x n 22,4 x n %CO = CO = e V V Trong đó : V - là thể tích của hỗn hợp khí đã biết nCO -số phân tử khí CO ne - số phân tử điện tích tự do ¾ Đặc tính làm việc - Dải đo : 0 – 1000 ppm - Nhiệt độ hoạt động : -20 ÷ 50°C - Điện trở : 10Ω - Điện áp nuôi: không yêu cầu - Áp suất: 0.9 ÷ 1.1 atm - Dòng ra : 50 +/- 10 nA/ppm Hình 8 : Cấu trúc bên trong của sensor NAP701 Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 29 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
Sensor đo khí CH4 Chúng tôi lựa chọn loại NAP 100AD do hãng Nemoto chế tạo để đo khí mêtan. ¾ Cấu tạo và nguyên lý làm việc Cấu tạo gồm 2 điện trở: điện trở đo D và điện trở bù C. Điện trở đo D được chế tạo từ một dây platin quấn hình lò xo đặt chìm bên trong ôxit chịu lửa có độ xốp nhỏ, thường là alumin. Alumin được tẩm một trong các chất xúc tác như Pb, Pt, Ir hoặc hỗn hợp Pd-ThO2. Các chất xúc tác này có tác dụng làm tăng độ nhạy của cảm biến. Sensor này được lắp vào mạch cầu Wheastone với các phần tử khác không nhạy với chất khí cần phân tích . Hình 9 : Sơ đồ đấu nối sensor theo cầu Wheastone Nguyên lý làm việc: Các phần tử của sensor sẽ được đốt nóng bằng điện áp cung cấp cho mạch cầu . Khi không có khí vào mạch cầu cân bằng, điện áp ra bằng 0. Khi có mặt chất khí vào, ở nhiệt độ làm việc, HC tác dụng làm điện trở của phần tử nhạy thay đổi, điện trở này phụ thuộc vào nồng độ khí HC, làm mạch cầu mất cân bằng, điện áp ra khác 0. Điện áp ra trên cầu tỷ lệ với nồng độ khí đưa vào . ¾ Đặc tính làm việc - Điện áp nguồn: DC 2.5 +/- 0.5V AC 2.5 +/- 0.5V ( f= 50 60 hz) - Nhiệt độ làm việc : -10 +50 °C - Dòng điện tiêu thụ: (160 - 180) mA ¾ Đặc điểm - Tính ổn định cao, đáp ứng nhanh - Tín hiệu ra tuyến tính Sau đây là những thông số chính của sensor NAP100AD do nhà sản xuất cung cấp: Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 30 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 31 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
Hình 10 : Các thông số chính của sensor NAP100AD Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 32 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
4.5. Hiện trạng về các thiết bị đo khí trong Tổng Công ty than Việt Nam Về máy đo xách tay Ở các mỏ của ta hiện nay chủ yếu là mua các thiết bị đo khí mêtan cầm tay của nước ngoài (Liên Xô cũ, Trung Quốc, Nhật bản, Ba Lan ) để trang bị cho các phòng an toàn, phòng thông gió, đi kiểm tra định kỳ trong ngày. Các thiết bị này có một số nhược điểm sau: − Thiết bị của Liên Xô (ШИ-11) cũ khá cồng kềnh, đồng thời kỹ thuật sử dụng tương đối lạc hậu. Ngoài ra, theo nhận xét của những người sử dụng, thiết bị này không phù hợp với điều kiện khí hậu ở nước ta nên tuổi thọ không cao đến nay gần như đã bị hỏng hết. − Thiết bị của Trung Quốc có nhiều chủng loại khác nhau, có giá cả vừa phải. Loại đang được dùng trong các mỏ (loại GWJ-1A) sử dụng phương đo bằng quang phổ vạch, vì vậy kết cấu thiết bị phức tạp, rất khó đọc kết quả đo và độ chính xác không cao. − Thiết bị đo của Nhật (GX-86, ) có giá thành rất cao nên ít được sử dụng. − Thiết bị của Ba Lan như: M1CA và TC100 độ chính xác không cao (chỉ dùng 2 số để hiển thị giá trị đo) Ngoài ra, việc sử dụng các thiết bị mua từ nước ngoài sẽ rất phụ thuộc và ta không làm chủ được công nghệ cũng như các vật tư, linh kiện thay thế. Việc bảo hành, bảo dưỡng gần như không có. Về hệ thống đo cảnh báo tự động Hiện nay mới chỉ có mỏ Mạo Khê là có hệ thống tự động của Balan sản xuất và hiện đang triển khai thêm mộ hệ thống nữa do Nhật tài trợ, còn các mỏ khác chưa có hệ thống này. ¾ Hệ thống monitoring của Ba Lan Trong nghành than duy nhất chỉ có mỏ Mạo Khê được trang bị một hệ thống đo khí tự động là hệ thống CTT63/40 do hãng CARBO AUTOMATYKA (Ba Lan) chế tạo, sơ đồ khối chức năng như Hình 11. Hệ thống được triển khai lắp đặt từ cuối năm 1999, hệ thống được sản xuất bằng công nghệ của những năm 70 thế kỷ 20 nên tương đối lạc hậu. Cấu trúc hệ thống gồm trung tâm điều khiển, các đầu đo và hệ thống truyền dẫn (dùng cáp hữu tuyến). Tại trung tâm điều khiển, số liệu đo được ghi lại bằng hệ thống bút ghi và băng giấy, báo động dùng cả âm thanh và ánh sáng. Số lượng đầu đo hiện có khoảng 40 chiếc (chỉ đo khí mêtan) nhưng thường xuyên làm việc chỉ khoảng 22 đến 26 đầu đo, sensor sử dụng loại catalytic. Khoảng thời gian lấy mẫu tại mỗi điểm đo là 4 phút nên số liệu không được cập nhật liên tục. Việc truyền tín hiệu từ các đầu đo về trung tâm sử dụng phương pháp điều chế tần số VFC (Voltage Frequency Converter) Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 33 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
Tñ chØ thÞ UPS DSD CTT63/60 SZB Phßng ®iÒu khiÓn trung t©m Hép ®Êu c¸p nh¸nh C¸p trôc C¸p nh¸nh 1 Hép ®Êu c¸p trôc 2 3 4 Hình 11 : Sơ đồ khối chức năng của hệ thống tự động đo từ xa mêtan CTT63\40UP 1 - Đầu đo Cx-1cùng bộ biến đổi Kx-1 2 - Máy điều khiển ngắt điện Wx-1 3 - Bộ tiếp điểm IZZO 4 - Máy cắt tự động AB DSD - Bộ cách ly an toàn tia lửa SZB - Tủ kiểm tra đường dây; UPS - nguồn dự phòng Chức năng: Tự động đo nồng độ khí mêtan tại 40 điểm trong lò với chu kỳ 04 phút / lần tại mỗi điểm, hiển thị kết quả trên băng giấy tại trung tâm ngoài mặt bằng, báo động và tự động cắt điện khi nồng độ mêtan vượt quá ngưỡng cho phép. Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 34 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
¾ Hệ thống monitoring của Nhật Bản Hệ thống được trang bị theo dự án tài trợ của JAICA, được triển khai lắp đặt từ tháng 5 năm 2003, đến tháng 10 năm 2003 thì hệ thống được đưa vào hoạt động tương đối ổn định. Hệ thống gồm trung tâm điều khiển, các đầu đo và cáp truyền dẫn. Hệ thống sử dụng truyền dẫn từ các cửa lò về trung tâm điều khiển bằng cáp quang, còn từ các đầu đo ra cửa lò dùng truyền dẫn theo chuẩn RS485. Có khoảng 50 đầu đo, trong đó có 39 đầu đo khí mêtan (FI880), 02 đầu đo khí CO (COMA- 21), 02 đầu dò khói (MIIE-FC) và 02 đầu đo tốc độ gió (PJT), tuy nhiên tại mỗi đầu đo thì chỉ đo 01 thông số. Hệ thống được coi là lấy mẫu liên tục. Số liệu truyền về trung tâm được hiển thị trên màn hình máy tính (gồm 02 máy chủ), số liệu có thể quan sát dưới dạng đồ thị hoặc bảng biểu. Chương trình phần mềm đã được hiển thị bằng tiếng Việt (nhưng do Nhật Bản viết). Cả hai hệ thống này hiện đang làm việc tại Công ty than Mạo Khê. Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 35 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
V. CƠ SỞ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 1. Cơ sở, quan điểm thiết kế các thành phần trong hệ thống 1.1. 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. Ngoài ra hệ thống cũng cần sử dụng công nghệ tiên tiến phù hợp với xu thế phát triển trong tương lai. 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 những yêu cầu đặt ra khi thiết kế hệ thống, chúng tôi đưa ra các tiêu chí nhằm xây dựng mô hình tổng thể chung như sau: Hệ thống 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) Chức năng của trạm chủ: Quản lý: lưu trữ các dữ liệu liên quan phục vụ việc báo cáo, tổng hợp, phân tích cũng như là nguồn cung cấp dữ liệu cho các hệ thống khác, Giám sát, cảnh báo: giám sát hoạt động của các trạm phân tán, tình hình tại các khu vực, cảnh báo các nguy cơ có thể xảy ra Điều hành: các hoạt động phòng ngừa, truyền thông, thay đổi các tham số điều hành, thông số phục vụ quản lý các trạm, đặt các chế độ làm việc cho các trạm thiết bị phân tán Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 36 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
Chức năng của các trạm thiết bị đo phân tán: Hoạt động: độc lập trong mạng (cần có nguồn dự phòng trong trường hợp mất điện) Đo lường: các thông số được chỉ định, khả năng mở rộng số lượng các điểm đo và nối ghép mạng các đầu đo Cảnh báo: tại chỗ và từ xa thông qua tín hiệu còi, đèn, Điều khiển: các đối tượng (quạt gió, khe gió, ) Giao tiếp truyền thông: đa dạng theo mô hình phân cấp sử dụng Cung cấp các dịch vụ cho phép trạm chủ truy cập, kiểm soát các dữ liệu được phép và cho phép trạm chủ tự động nhận biết khi có trạm thiết bị mới hoạt động trong mạng Khả năng giao diện (chỉ thị các số liệu đo) tại chỗ thông qua màn hình tinh thể lỏng, LED hoặc qua thiết bị cầm tay cắm thêm vào khi cần Khả năng mở rộng hỗ trợ truyền âm thanh Yêu cầu về công nghệ truyền thông: Dữ liệu truyền qua mạng đảm bảo an toàn trong khoảng cách truyền lớn Đường truyền: Dây dẫn điện, cáp quang, không dây (radio) Trao đổi dữ liệu: giữa các trạm (trạm chủ với các trạm phân tán), truyền âm thanh (tùy chọn) Công nghệ truyền thông hỗ trợ: Dây dẫn điện: như mạng Profibus phục vụ truyền dữ liệu tốc độ cao Mạng thoại: truyền dữ liệu + âm thanh Cáp quang: hỗ trợ truyền dữ liệu + âm thanh, hình ảnh Vô tuyến: radio truyền dữ liệu + âm thanh, hình ảnh Phần mềm: Cơ sở xây dựng: phần mềm hệ thống mở (như SIMATIC WinCC, Protool Pro) cho phép quản lý và điều hành tập trung cũng như dễ dàng nối ghép với các hệ thống khác Xây dựng các giao thức truyền thông thống nhất thông qua phát triển các dịch vụ trao đổi dữ liệu giữa trạm chủ với các trạm phân tán qua các môi trường truyền thông khác nhau Xây dựng cơ sở dữ liệu quản lý và điều hành Xây dựng phương thức quản lý các thông số và các trạm theo mã (Các thông số đo, vị trí đặt điểm đo, trạm thiết bị đo) Phần mềm trên trạm chủ: Tự động nhận biết các trạm làm việc, cho phép cấu hình dễ dàng các trạm mới Phần mềm trên trạm phân tán: cung cấp kịp thời các dịch vụ khi trạm chủ yêu cầu, thực hiện việc đo và cảnh báo độc lập với việc điều hành, giám sát của trạm chủ Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 37 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
1.2. Quan điểm thiết kế hệ thống thiết bị đo phân tán Quan điểm thiết kế trạm điều khiển khu vực Trạm điều khiển khu vực (hay trạm làm việc - workstation) là một trạm con nằm trong hệ thống SCADA tổng thể (đây là phần thiết kế thêm so với đăng ký ban đầu của đề tài, xuất phát từ nhu cầu thực tế của người sử dụng) sẽ phụ trách một khu vực khai thác xác định – dùng cho các phân xưởng, do đó trạm làm việc cần có các chức năng chính như sau: + Mỗi trạm làm việc quản lý được 8 điểm đo (có thể mở rộng thành 16 điểm) + Số liệu tại các điểm đo có thể đọc được dễ dàng, dễ sử dụng. + Có tính mở: có thể kết nối vào hệ thống lớn, có thể làm việc độc lập, có thể thêm bớt các tính năng một cách dễ dàng + Việc truyền tín hiệu đi xa có thể dùng: hữu tuyến (cáp quang, đường điện thoại) hoặc vô tuyến + Có khả năng tích hợp với các hệ thống thông tin khác trong mỏ (ví dụ thông tin liên lạc) + Mỗi trạm có thể kết nối vào một máy tính để quản lý và lưu trữ số liệu của khu vực mình quản lý. + Trạm làm việc tự xác định được có bao nhiêu điểm đo hiện đang nối vào Quan điểm thiết kế điểm đo Điểm đo được đặt ở những vị trí cần theo dõi như các cửa thoát gió, các khai trường, Do đó, quan điểm thiết kế mạch cho các điểm đo của chúng tôi là: + Có thể đo và giám sát được 8 (hoặc nhiều hơn) thông số: Nồng độ khí CH4, COx, nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, lưu lượng gió, + Kết quả đo lường được truyền về trạm làm việc + Việc cảnh báo được thực hiện tại chỗ và truyền về trạm làm việc + Có thể tự ra lệnh điều khiển cơ cấu chấp hành hoặc nhận lệnh từ trạm làm việc hoặc TTĐK đưa tới. Quan điểm thiết kế máy đo cầm tay Sau khi đi khảo sát chúng tôi thấy rằng nhu cầu về hệ thống đo chưa bức bách như các thiết bị đo khí nhanh (máy đo cầm tay) nên chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo thiết bị đo khí mêtan cầm tay. Qua tìm hiểu thực tế yêu cầu của người sử dụng về thiết bị đo và cảnh báo khí mêtan cầm tay chúng tôi đưa ra các quan điểm thiết kế thiết bị như sau: + Thiết bị phải làm việc chính xác, độ tin cậy và độ an toàn cao + Số liệu đo được phải dễ đọc và phù hợp với tiêu chuẩn Việt Nam + Thiết bị phải gọn nhẹ, chắc chắn Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 38 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
+ Nguồn nuôi phải đảm bảo làm việc liên tục được ít nhất là 8 giờ (1 ca sản xuất) + Giá thành vừa phải Ngoài ra còn yêu cầu tích hợp thêm việc đo cảnh báo CO2; CO; nhiệt độ; 2. Cấu trúc các thành phần trong hệ thống Hệ thống phần cứng được trình bày dưới đây bám theo cấu trúc phân cấp hệ thống (Hình 12) 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 12) bao gồm các thành phần chính sau: Trạm thiết bị chủ điều khiển VIAG-MCSxx: là thiết bị giám sát và điều hành các trạm thiết bị đo (các trạm phân tán). Thiết bị này phải hỗ trợ các giao diện truyền thông khác nhau tùy theo kết nối được chọn với các trạm thiết bị đo cũng như khả năng giao diện với các hệ thống khác (hiện có hoặc phát triển sau này như hệ thống thu phát thông tin vô tuyến thu thập các giá trị đo từ các vị trí đo di động, truyền qua mạng điện thoại nội bộ sử dụng modem, ) Máy tính chủ giám sát điều hành PC-Server: Sử dụng máy tính (I)PC và bộ phần mềm SIMATIC WinCC Server (cấu hình thấp hơn sử dụng bộ phần mềm SIMATIC Protool Pro) phục vụ giao diện HMI. Máy tính chủ cũng làm nhiệm vụ lưu trữ các số liệu và cung cấp số liệu cho các máy tính khác được quyền truy cập tới các dữ liệu đó thông qua các dịch vụ được thiết lập. Cấu hình có khả năng phát triển hỗ trợ hoạt động dự phòng (trường hợp sử dụng WinCC). Các máy tính trạm Operator: Trong cấu hình chuẩn sử dụng thêm các máy tính trạm kết nối với máy tính chủ PC-Server qua đường mạng công nghiệp (RS485 hoặc cáp quang). Số lượng các máy trạm tùy thuộc vào yêu cầu và bài toán quản lý thực ở mỗi khu mỏ hầm lò. 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. Cấu hình này có chi phí thấp hơn và thích hợp cho thử nghiệm hệ thống cũng như cho các mỏ cấp thấp cần trang bị hệ thống ban đầu. PLC-based: Sử dụng PLC làm cơ sở để xây dựng hệ thống (Hình 13). Hệ thống có khả năng làm việc liên tục, đảm bảo tính ổn định tuy nhiên chi phí cao hơn. Cấu hình này thích hợp cho các mỏ cấp cao yêu cầu hệ thống phải làm việc an toàn hoặc cần tích hợp nhiều chức năng khác nhau trong cùng một hệ thống. Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 39 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
LAN TT GIÁM SÁT, ĐIỀU HÀNH Mạng máy tính nội bộ (LAN) PC Server Trạm thiết bị chủ VIAG-MCSxx RS 485 / FO R Network Các hệ thống khác Kiểu truyền khác Link/conv. Kết nối mạng Profibus (RS485/FO) Operators (option) Profibus (RS 485 / FO) KHU VỰC HẦM LÒ R Cấu hình hệ thống: Kiểu truyền khác Trạm thiết bị . Tổng số trạm thiết bị Điểm đo 1 đo k đo: max. 8/16 08 thông số 08 kênh đo/điểm đo: . Số điểm đo/trạm: max. 16 1. CH4 . . Số lượng thông số 2. T . đo/trạm: max. 8 Trạm thiết bị đo 1 . Trạm thiết bị 8. Tốc độ gió đo m Điểm đo 16 08 thông số Trạm thiết bị đo n Hình 12 : 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 40 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
TT GIÁM SÁT, ĐIỀU HÀNH PC-Server configuration: . PC-based control (WinAC) . WinCC/Protool Pro HMI software . Profibus CP5613 (DP-Master) RS 485 / FO R Kiểu truyền khác Kết nối mạng Profibus (RS485/FO) Operators (option) Hình 13 : Cấu hình trạm thiết bị chủ giản đơn Cấu trúc hệ thống trạm thiết bị phân tán Mô hình chung thiết bị phân tán có thể phân thành hai khối chính sau: Phần đo và điều khiển cục bộ: có cấu hình phần cứng tùy thuộc vào loại thiết bị đo và các thông số đo cụ thể của thiết bị đo. Đối với thiết kế hệ thống, cấu hình phần cứng này không quan trọng. Tuy nhiên trạm thiết bị phân tán được xây dựng cần hỗ trợ một số kiểu nối ghép với các đầu đo như nối ghép trực tiếp hoặc thông qua mạng cấp đầu đo, cơ cấu chấp hành (ví dụ như mạng AS-I). Module giao diện mạng: đây là khối tùy chọn, phụ thuộc vào dạng kết nối mà hệ thống sử dụng để nối mạng khối đo và điều khiển cục bộ của trạm thiết bị phân tán với trạm chủ điều hành. 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. Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 41 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
Hệ thống ghép nối truyền thông Hệ thống ghép nối truyền thông tùy theo mục đích và yêu cầu sử dụng trong mỗi phân cấp, tuy nhiên hệ thống được thiết kế hỗ trợ các kiểu truyền thông có thể phân thành các nhóm theo mô hình phân cấp như sau: 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. Máy tính PC-Server sẽ là đầu mối để cung cấp các thông tin hiện thời và các dữ liệu liên quan khác cho các máy/người sử dụng có quyền truy cập được cấp. Truyền thông trong trung tâm giám sát, điều hành: truyền thông ở đây được hiểu là phục vụ cho phần mềm giám sát, điều hành, quản lý chung trên PC- Server đối với các hệ thống bên dưới bao gồm thiết bị trạm chủ VIAG-MCSxx, các máy tính trạm và các hệ thống khác (hiện có hoặc mở rông sau này). Do tính chất làm việc với nhiều hệ thống thiết bị (đo lường, điều khiển) có nguồn gốc khác nhau nên cần thiết sử dụng một số chuẩn hóa mạng thông dụng để kết nối như: 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: Yêu cầu truyền thông trong phân cấp này phải đảm bảo ổn định, liên tục nhằm phát hiện trực tuyến những sự cố có thể xảy ra ở mức thiết bị cũng như khả năng ứng dụng khác nhau tùy theo điều kiện thực tế tại mỗi mỏ hầm lò. Do đó các phương pháp truyền thông cần đa dạng và phù hợp với môi trường lắp đặt dưới hầm lò. Các phương pháp truyền thông được hệ thống hỗ trợ gồm: Mạng Profibus-DP: sử dụng môi trường truyền cáp quang (glass FO) và cáp điện (RS485). Phần dây cáp mạng đi trong hầm lò cần được bảo vệ trong ống thép chống cháy nổ và có thể treo chạy song song cùng với các loại cáp điện khác trong hầm lò. Truyền thông qua mạng điện thoại (nội bộ) dưới hầm lò: sử dụng đường truyền RS232 nối với modem (công nghiệp) cho phép lợi dụng đường dây điện thoại nội bộ để kết nối trạm thiết bị đo với thiết bị chủ (đối với các mỏ có trang bị mạng thoại nội bộ). Truyền không dây: sử dụng loại modem không dây có thiết kế đặc biệt, chuyên dụng phục vụ cho truyền thông trong các hầm lò. Truyền thông qua mạng Profibus-DP sử dụng phương pháp chuyển đổi giao thức tại chỗ: tại các trạm thiết bị đo có thể sử dụng đường truyền RS232 qua bộ chuyển đổi giao thức Profibus-DP/RS232 để kết nối tới trạm chủ. Ghi chú: Việc kết nối giữa trạm thiết bị đo vào mạng phải thông qua các bộ kết nối mạng tùy theo phương pháp truyền thông được chọn cũng như có thể kết hợp các phương pháp truyền thông trên trong cùng một hệ thống. Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 42 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
VI. THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ TT ĐIỀU HÀNH 1. Mô hình và các giao diện nối ghép trong hệ thống Để thử nghiệm, kiểm tra, đánh giá hoạt động của toàn bộ hệ thống trong điều kiện không có được đầy đủ các thành phần thiết bị cũng như để chuẩn bị phục vụ quá trình thử nghiệm tại hiện trường tiếp theo, cần thiết phải xây dựng được một mô hình rút gọn tuy nhiên vẫn cho phép thực hiện thử nghiệm được đầy đủ các chức năng đã thiết kế. Dưới đây chúng tôi trình bày các nội dung chính thử nghiệm và thiết kế mô hình hệ thống thử nghiệm. 1.1. Các nội dung chính thử nghiệm Thử nghiệm hoạt động của toàn bộ hệ thống khi cấu hình có đầy đủ các thành phần bao gồm trạm máy tính chủ, thiết bị chủ VIAG-MCS05, 04 trạm thiết bị đo phân tán 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 tiếp tục hoàn thiện giao thức. 1.2. Mô hình chung hệ thống thử nghiệm Mô hình chung hệ thống thử nghiệm được trình bày trên Hình 14 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. Trong mô hình thử nghiệm này trạm chủ VIAG-MCS05 sẽ được cấu hình làm việc chỉ với 04 trạm thiết bị đo bên dưới tuy nhiên phần chương trình vẫn được xây dựng tổng quát cho phép điều hành tới 08 trạm. 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. Các trạm thiết bị đo được đánh số từ trạm số 1 đến trạm số 4 để tiện phân biệt trong phương án này. 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. Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 43 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
TT GIÁM SÁT, ĐIỀU HÀNH Các ký hiệu Trạm thiết bị chủ VIAG-MCS05 PC 1 Địa chỉ trạm trong mạng MPI Server 2 MPI (RS 485) 1 LAN 2 Địa chỉ trạm mạng Profibus-DP RS 232 2 Profibus (RS 485) OLM Optical Link Modem Module Operators (option) Mạng thoại Profibus (FO) Profibus-DP (FO) KHU VỰC HẦM LÒ Modem OLM DP/RS232 Cấu hình hệ thống: 5 RS 485 6 RS 232 7 RS 232 . Tổng số trạm thiết bị thử nghiệm: 03÷04 trạm Điểm đo 1 . Số điểm đo/trạm: max. 16 08 thông số 08 kênh đo/điểm đo: . Số lượng thông số đo/trạm: max. 8 . 1. CH4 2. T . Trạm thiết bị . Trạm thiết bị Trạm thiết bị đo số 1 8. Tốc độ gió đo số 2 đo số 3 Điểm đo n 08 thông số Hình 14 : 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 44 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
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). 1.3. Trạm thiết bị chủ VIAG-MCS05 và cấu hình PC-Server trong mô hình thử nghiệm Trạm thiết bị chủ VIAG-MCS05 thiết kế bao gồm các thành phần sau (Hình 15): TT GIÁM SÁT, ĐIỀU HÀNH MPI (RS 485) Touch Panel 2 TP170 CP5611/5613 1 CPU315 SM323 CP340 -2DP 16/16 CP341 DI/DO (x2) 3 Profibus (RS 485) 2 RS 232 PC Optical Link Server Module OLM Modem OLM-G12 Operators (PC Clients) Trạm thiết bị chủ VIAG-MCS05 Profibus-DP Telephone (Glass Fiber Optic) network Tới các trạm thiết bị đo từ 1 đến 4 tương ứng 5 6 7 8 địa chỉ DP từ 5 đến 8 Hình 15 : 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). Địa chỉ CPU khi hoạt động trong mạng MPI và mạng Profibus-DP đều được đặt mặc định là 2. Module truyền thông CP340/CP341: dùng cho kết nối PLC với thiết bị đo qua cổng RS232 và modem (hữu tuyến và vô tuyến). Trong mô hình thử nghiệm Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 45 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
trạm thiết bị đo số 3 và số 4 (địa chỉ mạng 7 và 8) sẽ sử dụng phương pháp kết nối này (2 trạm thiết bị đo số 3 và số 4 có phương thức kết nối giống nhau ngoại trừ môi trường truyền sử dụng khác nhau) 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. TP170 được kết nối trong mạng Profibus-DP (cáp điện RS485) và có địa chỉ 3. 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) 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. Trạm máy tính PC-Server được sử dụng có cấu trúc như sau: Máy tính PC: cấu hình Pentium 3/4, tốc độ 1.6 GHz, bộ nhớ SDRAM 256MB, HDD 20GB, (internal) modem 56kbps Card giao diện truyền thông CP5611/CP5613 nhằm hỗ trợ giao thức truyền thông MPI phục vụ trao đổi số liệu với trạm thiết bị chủ VIAG-MCS05. Hệ điều hành Windows 2000 Professional + Service Pack 4 Nền phần mềm SCADA: phát triển trên nền SIMATIC WinCC V5.1 1.4. Thiết kế các khối nối ghép mạng Dưới đây tổng hợp các thông số truyền thông thiết kế sử dụng trong mô hình thử nghiệm ¾ Truyền thông giữa VIAG-MCS05 với PC-Server Module truyền thông sử dụng trên trạm VIAG-MCS05: CPU315-2DP, cổng giao tiếp truyền thông MPI Module truyền thông sử dụng trên PC-Server: CP5611/CP5613 Profile: giao thức truyền MPI, đường truyền RS485 Tốc độ truyền sử dụng: 187.5 kbps Địa chỉ mạng: mặc định 1 (PC-Server) và 2 (VIAG-MCS05) Địa chỉ mạng lớn nhất (HSA): 31 Khoảng cách truyền cho phép lớn nhất giữa 2 trạm: 50 m ¾ Truyền thông giữa VIAG-MCS05 với các trạm thiết bị đo qua mạng cáp quang Profibus-DP Module truyền thông sử dụng trên trạm VIAG-MCS05: CPU315-2DP, cổng giao tiếp truyền thông Profibus-DP Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 46 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
Module truyền thông sử dụng dưới trạm thiết bị đo số 1: standard DP-Slave Module truyền thông sử dụng dưới trạm thiết bị đo số 2: qua cổng RS232 kết nối với module chuyển đổi giao thức DP/RS232 (Hình 16) Profile: Profibus-DP (DP-Master class I đối với trạm VIAG-MCS05 và standard DP-Slave đối với các trạm thiết bị đo), đường truyền cáp quang (glass FO) Tốc độ truyền sử dụng: mặc định 500 kbps Địa chỉ mạng: mặc định 2 (VIAG-MCS05) và 5, 6 (thiết bị đo số 1 và 2) Địa chỉ mạng lớn nhất (HSA): 31 Khoảng cách truyền cho phép lớn nhất trong mạng: max. 3000 m giữa 2 trạm kết nối qua OLM-G12 (bước sóng truyền 860 nm) sử dụng loại cáp quang sợi thủy tinh 62.5/125 μm, 3.5 dB/km Profibus DP (G DP/RS232 RS 485 RS485 S 232 RS232 7 Module chuyển Optical Link Module đổi giao thức Trạm thiết bị OLM-G12 (DP/RS232 Link đo số 4 hoặc IM183-1) (địa chỉ DP 7) Hình 16 : Sơ đồ khối module kết nối chuyển đổi giao thức DP/RS232 với trạm thiết bị đo số 4 (địa chỉ mạng 7) ¾ Truyền thông giữa VIAG-MCS05 với các trạm thiết bị đo qua cổng RS232 Module truyền thông sử dụng trên trạm VIAG-MCS05: CP340/CP341 Module truyền thông sử dụng dưới các trạm thiết bị đo: standard DP-Slave Profile: lập trình tự do trao đổi khối dữ liệu, đường truyền RS232C Tốc độ truyền sử dụng: mặc định 19.2 kbps Địa chỉ mạng: mặc định 2 (VIAG-MCS05) và 7, 8 (thiết bị đo số 3 và 4) Địa chỉ mạng lớn nhất (HSA): 31 Khoảng cách truyền cho phép lớn nhất trong mạng: chỉ giới hạn bởi thông số kỹ thuật của mạng thoại nội bộ và của loại modem được sử dụng. Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 47 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
2. Thiết kế giao thức truyền thông Giao thức truyền thông KC.03.04-PB phiên bản v1.0 xây dựng dưới đây cho phép trao đổi số liệu giữa trạm chủ PLC (sau đây gọi là DP-Master) với các trạm thiết bị đo phân tán (sau đây gọi là DP-Slave) qua mạng Profibus-DP. Giao thức này do TT Điều khiển tự động, Viện NC Điện tử - Tin học - Tự động hóa thiết kế là một phần trong nhiệm vụ thực hiện đề tài KC.03.04 nhằm hỗ trợ truyền thông giữa DP- Master với các DP-Slave trong mô hình mạng được xây dựng có cấu trúc và các yêu cầu như sau: 2.1. Giới thiệu chung về giao thức 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 này do TT Điều khiển tự động, Viện NC Điện tử - Tin học - Tự động hóa thiết kế là một phần trong nhiệm vụ thực hiện đề tài KC.03.04 nhằm 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) Chú ý: Cấu hình các trạm DP-Slave tuân thủ quy ước sau: trong một trạm DP- Slave, số lượng mỗi loại thông số đo là như nhau tại tất cả các điểm đo, tuy nhiên thứ tự bố trí các kênh đo ở mỗi điểm đo không nhất thiết phải giống nhau. Ví dụ trạm DP-Slave-5 được cấu hình đo các thông số sau: 2 kênh đo CH4, 3 kênh đo nhiệt độ, 1 kênh đo CO và 2 kênh đo tốc độ gió, khi đó ở tại tất cả các điểm đo thuộc trạm DP-Slave-5 chỉ có thể đo được 4 loại thông số đo là CH4, nhiệt độ, CO và tốc độ gió với số lượng kênh đo lớn nhất tương ứng với mỗi loại thông số đo nêu trên lần lượt là 2, 3, 1 và 2 kênh. Tuy nhiên để thứ tự các thông số đo ứng với các kênh đo vật lý tại mỗi điểm đo không nhất thiết phải như nhau, phần mềm trạm DP-Slave-5 cần thiết phải quản lý các kênh đo vật lý tại các điểm đo thống nhất theo một trật tự chung sau đây gọi là thứ tự các kênh đo ảo hay thứ tự ảo và được chỉ định trong cấu hình của trạm DP- Slave-5 để phục vụ cho việc trao đổi số liệu thống nhất với DP-Master. 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. Tuy nhiên số lượng các loại thông số đo trong toàn hệ thống không Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 48 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
bị hạn chế và chỉ bị giới hạn về mặt lý thuyết bởi số lượng các trạm DP-Slave trong cấu hình hệ thống. 2.2. Cấu hình và cấu trúc các thành phần trong hệ thống mạng Cấu hình các thành phần trong hệ thống mạng ¾ Thiết lập các thông số hệ thống mạng truyền thông Profibus-DP 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) Địa chỉ mạng lớn nhất (Highest Profibus Address): 31 Địa chỉ mạng trạm DP-Master: 2 Địa chỉ mạng các trạm DP-Slave: từ 5 đến 12 tương ứng với các trạm thiết bị đo từ 1 đến 8 (các địa chỉ mạng từ 13 đến 20 được chiếm trước dùng cho mở rộng số lượng trạm DP-Slave tới 16 sau này) Các địa chỉ mạng khác: địa chỉ 0 và 1 dùng cho kết nối máy lập trình PG hoặc PC (có vai trò như các DP-Master class 2 chuẩn), địa chỉ 3 dùng cho kết nối TD/OP (trên trạm DP-Master) vào mạng, địa chỉ 4 chiếm chỗ dùng cho máy tính PC dự phòng hoặc PC-Client, các địa chỉ mạng khác còn lại (từ 21 đến 31) hiện không sử dụng. ¾ Trạm DP-Master Hoạt động đảm bảo như một DP-Master class 1 chuẩn theo như chuẩn hóa EN 50170 Vol. 2 (DP Master) Cho phép cấu hình được các trạm DP-Slave chuẩn sử dụng file cấu hình chuẩn thiết bị (device database file) dạng *.GSD hoặc *.GSE của chuẩn hóa Độ lớn của DP-I/O buffer cho phép tới 1024/1024 bytes đối với mỗi vùng ¾ Các trạm DP-Slave Hoạt động đảm bảo như các DP-Slave chuẩn theo như chuẩn hóa Profibus-DP EN 50170 Vol. 2 (DP Slave). Tự động nhận biết được tốc độ truyền trong mạng (hiện trong thiết lập mạng sử dụng tốc độ truyền 9.6 kbps ÷ 1.5 Mbps) Đặc tả hoạt động trong file cấu hình chuẩn thiết bị (device database file) dạng *.GSD hoặc *.GSE theo như chuẩn hóa đề ra Cho phép cấu hình được độ lớn của DP-I/O buffer (đặc tả trong file *.GSD hoặc *.GSE) ít nhất theo một trong hai dạng sau: consistent over unit (byte/word/double word): 64/64 bytes hoặc 32/32 từ (word) hoặc 16/16 từ kép (double word) consistent over total length: 64/64 bytes Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 49 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
Cấu trúc DP-I/O buffers Theo như hoạt động của mạng Profibus-DP, việc trao đổi dữ liệu (DP_Data_Exchange) diễn ra liên tục theo chu kỳ vòng quét mạng giữa trạm chủ DP-Master class 1 với các trạm DP-Slave thông qua hai vùng đệm (buffer) trên mỗi trạm. Dưới đây là các ký hiệu và quy ước đối với mỗi vùng đệm này (Hình 17). DP-Master I/O buffers DP_M_In_1 DP_M_In_16 DP_M_In 64 bytes • • • 64 bytes 1024 bytes Điểm đo: i DP_M_Out_1 DP_M_Out_2 DP_M_Out_16 DP_M_Out 64 bytes • • • 64 bytes 1024 bytes 64 PROFIBUS-DP DP_S1_In DP_S2_In DP_S16_In 64 bytes 64 bytes 64 bytes DP_S1_Out DP_S2_Out DP_S16_Out 64 bytes 64 bytes 64 bytes DP-Slave 1 DP-Slave 2 DP-Slave 16 I/O buffers I/O buffers I/O buffers Hình 17 : Phân bố DP-I/O buffers trên các trạm và chiều dữ liệu trao đổi ¾ DP-I/O buffers trên trạm DP-Master Vùng buffer đầu vào (DP-Master Input buffer): Ký hiệu: DP_M_In Độ lớn: 1024 byte Cấu trúc: DP_M_In được phân thành 16 vùng 64 byte có địa chỉ liên tiếp nhau và ký hiệu theo thứ tự từ DP_M_In_1 đến DP_M_In_16. Chức năng: DP_M_In là buffer đầu vào phục vụ việc lưu giữ các giá trị nhận về từ các vùng buffer đầu ra DP_Si_Out (i=1 16) tương ứng từ các trạm DP-Slave-1 đến DP-Slave-16. Công việc nhận các khối DP_Si_Out từ các trạm DP-Slave về và lưu tại các vùng DP_M_In_i tương ứng sẽ do giao thức mạng Profibus-DP đảm nhiệm theo chu kỳ vòng quét mạng. Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 50 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
Vùng buffer đầu ra (DP-Master Output buffer): Ký hiệu: DP_M_Out Độ lớn: 1024 byte Cấu trúc: DP_M_Out được phân thành 16 vùng 64 byte có địa chỉ liên tiếp nhau và ký hiệu theo thứ tự từ DP_M_Out_1 đến DP_M_Out_16. Chức năng: DP_M_Out là vùng đệm đầu ra lưu các giá trị cần truyền tới các vùng DP_Si_In (i=1 16) tương ứng trên các trạm từ DP-Slave-1 đến DP- Slave-16. Công việc truyền các khối DP_M_Out_i tới các vùng DP_Si_In tương ứng sẽ do giao thức mạng Profibus-DP thực hiện liên tục theo chu kỳ vòng quét mạng. DP_M_Out_i / DP_Si_In DP_M_In_i / DP_Si_Out +0 Reserved +0 LOC_CFG 16 bytes 4 bytes +4 V_SEN_CFG 16 bytes +16 SYS_D&T +20 Reserved 4 bytes 8 bytes, IEC Date&Time format +24 CTR_W SER_NO +24 Reserved REC_NO 2 bytes 2 bytes 2 bytes 2 bytes +28 SID PAR1 PAR2 PAR3 +28 SID PAR1 PAR2 PAR3 1 byte 1 byte 1 byte 1 byte 1 byte 1 byte 1 byte 1 byte +32 DW1 +32 DW1 4 bytes 4 bytes +36 • • • +36 • • • +60 DW8 +60 DW8 4 bytes 4 bytes Hình 18 : Cấu trúc các DP-I/O buffer ¾ DP-I/O buffers trên các trạm DP-Slave Các vùng buffer đầu vào (DP-Slave Input buffers): Ký hiệu: từ DP_S1_In đến DP_S16_In tương ứng với mỗi vùng DP-Slave buffer đầu vào trên các trạm từ DP-Slave-1 đến DP-Slave-16 Độ lớn: 64 byte Chức năng: DP_Si_In (i=1 16) là buffer đầu vào trên trạm DP-Slave-i phục vụ việc lưu giữ các giá trị nhận về từ vùng buffer đầu ra DP_M_Out_i (i=1 16) tương ứng trên trạm DP-Master. Quá trình này do giao thức mạng Profibus-DP đảm nhiệm theo chu kỳ vòng quét mạng. Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 51 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855
Các vùng buffer đầu ra (DP-Slave Output buffers): Ký hiệu: từ DP_S1_Out đến DP_S16_Out tương ứng với mỗi vùng DP-Slave buffer đầu ra trên các trạm từ DP-Slave-1 đến DP-Slave-16 Độ lớn: 64 byte Chức năng: DP_Si_Out (i=1 16) là buffer đầu ra trên trạm DP-Slave-i phục vụ việc lưu và truyền các giá trị này về vùng buffer đầu vào DP_M_In_i (i=1 16) tương ứng trên trạm DP-Master. Quá trình truyền số liệu này do giao thức mạng Profibus-DP đảm nhiệm theo chu kỳ vòng quét mạng. Cấu trúc chung các vùng DP_M_Out_i, DP_Si_In và các vùng DP_M_In_i, DP_Si_Out được thể hiện trên Hình 18. ¾ Đặc tả các buffer DP_M_Out_i và DP_Si_In Các buffer này (Hình 18, bên trái) đều có độ lớn 64 byte và được chia làm hai phần: phần 28 byte đầu chứa các thông tin hiện thời về hệ thống và điều khiển phục vụ cho việc cập nhật tự động và tức thời từ DP-Master xuống các trạm DP- Slave; phần 36 byte tiếp theo được sử dụng để trạm DP-Master đưa ra yêu cầu thực thi một dịch vụ trên DP-Slave. Sau đây là các đặc tả: Vùng 28 byte dữ liệu hiện thời cập nhật tự động: Reserved (từ địa chỉ offset +0, độ lớn 16 bytes): hiện chiếm chỗ cho phát triển tiếp sau này SYS_D&T (+16, 8 bytes): thời gian (ngày, giờ) hiện thời của hệ thống có định dạng theo chuẩn hóa IEC Date&Time cho phép các trạm DP-Slave sử dụng để chuẩn hóa lại ngày, giờ của từng trạm thống nhất chung theo ngày, giờ của toàn hệ thống cũng như có thể sử dụng vào các mục đích khác. CTR_W (+24, 2 bytes): từ điều khiển này (16 bit) cho phép điều khiển trực tiếp một số đầu ra trên trạm DP-Slave khi được cấu hình (dùng cho phát triển sau này) SER_NO (+26, 2 bytes): mỗi khi trạm DP-Master đưa ra yêu cầu thực hiện một dịch vụ mới, giá trị SER_NO sẽ được tăng lên thêm 1 đơn vị. SER_NO cho phép DP-Slave nhanh chóng phát hiện được yêu cầu thực thi một dịch vụ mới gửi từ phía DP-Master. Vùng 36 byte dữ liệu phục vụ phát yêu cầu thực thi dịch vụ: SID (+28, 1 byte): chỉ mã dịch vụ cần thực thi nhằm phân biệt giữa các loại dịch vụ khác nhau. PAR1, PAR2, PAR3 (+29, 1 byte each): các tham số đi với mã dịch vụ nhằm đặc tả nhiệm vụ cụ thể của dịch vụ DW1 DW8 (+32, 4 bytes each): vùng dữ liệu 32 bytes dùng cho truyền dữ liệu (nếu có, đối với một số dịch vụ) xuống trạm DP-Slave. ¾ Đặc tả các buffer DP_M_In_i và DP_Si_Out Giống như trường hợp trên, các buffer này (Hình 18, bên phải) cũng đều có độ lớn 64 byte và được chia làm hai phần: phần 28 byte đầu chứa các thông tin hiện thời Đề tài KC.03.04: Hệ thống SCADA phục vụ an toàn trong khai thác hầm lò 52 VIELINA – Tel. (04) 7.164 855