Tài liệu [8] chương 4_ chuan truyen thong va cam bien

28 Chương 4 CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG VÀ CẢM BIẾN THÔNG DỤNG Trong hệ thống điều khiển, tự động cho tòa nhà chúng ta thường bắt gặp các thuật ngữ như : BACnet, LONtalk, Modbus, KNX, Profibus...Chúng được gọi là các chuẩn giao tiếp dữ liệu (data communication protocol). Về mặt khái niệm có thể liên hệ chúng với chuẩn giao tiếp TCP/IP phổ biến trong thế giới mạng, IT. Cần phần biệt các chuẩn giao tiếp (giao thức) này không phải là hardware (phần cứng), software (phần mềm) hay firmware. Chuẩn giao tiếp là một khái niệm trừu tượng. Nó là một tập hợp các quy định, các khuôn khổ được tiêu chuẩn hóa mà người ta cần theo nó một cách nghiêm ngặt khi thiết lập các quá trình truyền nhận dữ liệu (data). Có thể hiểu đó là cách mà các thiết bị tự động dùng để trao đổi thông tin cho nhau. Một cách dễ hiểu chúng ta có thể liên hệ chuẩn giao tiếp trong hệ thống tự động với ngôn ngữ của con người. Ngôn ngữ là công cụ để 2 người có thể giao tiếp và hiểu được tư tưởng của người kia. Chuẩn giao tiếp cũng giống thế, nó là công cụ để 2 thiết bị có thể "hiểu" được nhau. Ngôn ngữ người sử dụng đơn vị là các chữ cái, ghép chữ cái lại thành các từ, đặt các từ lại theo một cấu trúc được quy ước thì tạo thành 1 câu có ý nghĩa. Chuẩn giao tiếp, tương tự, sử dụng đơn vị là các bit, byte dữ liệu, ghép chúng lại cho ra các biến, sự thay đổi giá trị các thuộc tính trong một đối tượng theo một "quy định" lập sẵn sẽ giúp trao đổi thông tin. Giao tiếp giữa máy tính với thiết bị ngoại vi là việc trao đổi dữ liệu giữa máy tính với một hay nhiều thiết bị ngoại vi. Máy tính có nhiều cổng vào ra (I/O) để thực hiện chức năng trên. 4.1. Chuẩn truyền thông RS-232 Để bảo đảm sự tương thích giữa các thiết bị truyền dữ liệu nối tiếp do các hãng khác nhau sản xuất, năm 1960 hiệp hội Công Nghiệp Điện Tử EIA đã xây 29 dựng một chuẩn giao diện được gọi là RS232. Năm 1963, chuẩn này được cải tiến và gọi là RS232A, RS232B và RS232C vào những năm 1965 và 1969. Ngày nay, RS232 là chuẩn giao diện I/O được sử dụng rộng rãi nhất. Tuy nhiên, do chuẩn này ra đời khá lâu, trước khi có họ mạch vi điện tử TTL, vì vậy các mức điện áp vào/ra không tương thích với TTL. Ở RS232, mức “1” tương ứng từ -3V ÷ -25V, còn mức “0” tương ứng từ 3V ÷ 25V, khoảng từ -3V ÷ +3V không xác định. Do đó để nối RS232 với máy tính đều phải qua bộ biến đổi điện áp như MAX232 để chuyển mức logic TTL sang mức điện áp của RS232 và ngược lại. Nhìn chung, các chip IC MAX232 được dùng để điều khiển đường truyền. Cổng nối tiếp chuẩn RS232 là giao tiếp phổ biến rộng rãi nhất, nó còn gọi là cổng COM. Cổng này truyền dữ liệu dưới dạng nối tiếp theo một tốc độ do người lập trình quy định (thường là 1200, 2400, 4800, 9600bps…). Cổng nối tiếp chuẩn RS232 không phải là hệ thống Bus, do đó nó cho phép dễ dàng tạo ra liên kết dưới hình thức điểm giữa 2 thiết bị cần trao đổi thông tin với nhau. Chiều dai dữ liệu truyền đi có thể là 7 hoặc 8 bit, và kèm theo các bit Start, Stop, Parity để tạo thành một khung truyền (Frame). Do việc truyền dữ liệu là nối tiếp nên tốc độ truyền bị hạn chế do đó nó thường không được sử dụng trong những ứng dụng cần tốc độ truyền cao Khung truyền dữ liệu như sau: Start bit D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Hình 4.1: Cổng COM 9 chân Ý nghĩa của các chân quan trọng được mô tả dưới đây:  RXD (receive Data): Đường nhận dữ liệu. Parity bit Stop bit 30  TXD (Transmit Data): Đường gửi dữ liệu.  DTR (Data Terminal Ready): Báo DTE sẵn sàng .Chân DTR thường ở trạng thái ON khi thiết bị đầu cuối sẵn sàng thiết lập kênh truyền thông (tự động quay số hay tự động trả lời). DTR ở trạng thái OFF chỉ khi thiết bị đầu cuối không muốn DCE của nó chấp nhận lời gọi từ xa.  DSR (Data Set Ready): Báo DCE sẵn sàng, ở chế độ trả lời, 1 tone trả lời và DSR ON sau 2 giây khi Modem nhấc máy.  DCD (Data Carrier Detect): Tín hiệu này tích cực khi Modem nhận được tín hiệu từ trạm từ xa và nó duy trì trong suốt quá trình liên kết.  RTS (Request To Send): Đường RTS kiểm soát chiều truyền dữ liệu. Khi một trạm cần gửi dữ liệu, nó đóng mạch RTS sang ON để báo hiệu với modem của nó.  CTS (Clear To Send): Khi CTS chuyển sang ON, Modem xác nhận là DTE có thể truyền số liệu. Quá trình ngược lại nếu đổi chiều truyền số liệu  RI (Ring Indicator): Khi modem nhận được tín hiệu chuông, RI chuyển ON/OFF một cách tuần tự với chuông điện thoại để báo hiệu cho trạm đầu cuối. Tín hiệu này chỉ thị rằng một modem xa yêu cầu thiết lập liên kết dialup. 4.2. Chuẩn truyền thông RS-485 Khi thực hiện truyền thông tin ở tốc độ cao hoặc qua một khoảng cách lớn trong môi trường thực, phương pháp đơn cực (single ended) thường không thích hợp. Việc truyền dẫn dữ liệu vi sai (hay tín hiệu vi sai cân bằng) cho kết quả lớn hơn trong phần lớn trường hợp. Tín hiệu vi sai có thể loại bỏ ảnh hưởng do sự thay đổi khi nối đất và giảm nhiễu có thể xuất hiện như điện áp chung trên mạng. Tuy nhiên, đối với một mạng multi-network thực chất gồm nhiều mạch phát và nhận cùng nối vào một đường dây bus chung, mỗi node đều có thể phát và nhận data thì RS485 đáp ứng được yêu cầu này. Chuẩn RS485 cho phép 32 mạch truyền và nhận cùng nối vào đường dây bus đơn (với bộ repeater tự động và các bộ truyền/ 31 nhận trở kháng cao, giới hạn này có thể mở rộng lên tới 256 node trên một mạng). Bên cạnh đó, RS485 còn có thể chịu được các xung đột data (data collision) và các điều kiện lỗi trên đường truyền. Để giải quyết vấn đề xung đột data thường xuất hiện trên mạng multi-drop network, các đơn vị phần cứng (converters, repeaters, micro-prosessor controls) được thiết kế luôn duy trì ở trạng thái nhận cho đến khi chúng ta sẳn sàng truyền data. Một node master sẽ kích khởi một yêu cầu truyền đến một slave node bằng cách định địa chỉ node đó. Phần cứng phát hiện bit start của ký tự được truyền và tự động cho phép bộ truyền làm việc. Sau khi một ký tự được truyền đi, phần cứng sẽ trở về trạng thái nhận sau một vài micro giây. Khi có ký tự mới cần gởi, bộ truyền sẽ tự động được kích lại. Như vậy, một slave node đã được định địa chỉ có thể đáp ứng ngay lập tức mà không cần thực hiện một khoảng delay dài để tránh xung đột. 4.3. Cảm biến nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ là dụng cụ chuyển đổi đại lượng nhiệt thành các đại lượng vật lý khác như: điện áp, dòng điện, áp xuất, độ nở dài, độ giãn nở khối, điện trở, v.v.... Cảm biến nhiệt độ là phần tử không thể thiếu trong bất kỳ hệ thống đo lường và điều khiển nhiệt độ nào. Cảm biến nhiệt độ có khả năng nhận biết được tín hiệu được tín hiệu nhiệt độ một cách chính xác và chuyển đổi thành tín hiệu có thể đo lường được như điện áp, dòng điện, điện trở, thể tích áp suất.v.v....  Khoảng làm việc: là khoảng nhiệt độ mà cảm biến có khả năng tác động khi chưa bị bão hòa. Khoảng làm việc cao hay thấp là do tính chất cấu tạo và tính lý hóa của từng loại cảm biến quy định.  Độ nhạy: được định nghĩa bởi biểu thức: s  df dx Với: df: sự thay đổi đại lượng đo của cảm biến dx: sự thay đổi đại lượng vật lý.  Ngưỡng độ nhạy: là mức thấp nhất mà cảm biến có thể phát hiện được.  Tính trễ: còn gọi là quán tính của cảm biến. Tính trễ của cảm biến tạo ra sai số của phép đo. Tốc độ thay đổi của đại lượng đo phải phù hợp với tính trễ 32 của cảm biến. Nếu đại lượng đo thay đổi quá nhanh mà quán tính của cảm biến lớn thì không thể đo chính xác được. Mọi cảm biến đều có tính trễ do ảnh hưởng của vỏ bảo vệ.  Các loại cảm biến nhiệt thông dụng: cảm biến nhiệt trên thực tế có nhiều loại khác nhau, cấu tạo khác nhau, ứng dụng khác nhau. Nhưng chúng có chung đặc điểm là xác định nhiệt độ của vật chất. - Cặp nhiệt điện: là dụng cụ đo nhiệt độ thường được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Cơ sở chế tạo cặp nhiệt điện dựa trên các nguyên lý sau: o Hiệu ứng Thomson: qua một dây dẫn có dòng điện I và hiệu nhiệt trên dây là T1 - T2 thì sẽ có một sự hấp thụ hay tỏa nhiệt. o Hiệu ứng Pentier: khi có dòng điện đi qua một mối nối của hai dây dẫn thì tại vị trí mối nối thì sẽ có sự hấp thụ hay tỏa nhiệt. o Hiệu ứng Seebeck: trong một dây dẫn bất kỳ, khi có sự chênh lệch nhiệt độ tại một điểm thì ngay tại điểm đó sẽ xuất hiện một suất điện động. o Định luật Macmut: trong một mạch điện kín của dây dẫn đồng nhất bất kỳ, sự phân bố nhiệt độ ra sao, suất điện động tổng cộng của mạch luôn bằng không. - Nhiệt kế điện trở: nguyên lý làm việc của nhiệt kế là dựa vào sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ của các vật liệu dẫn điện. Có 2 loại nhiệt điện trở: o Nhiệt điện trở kim loại: thường có hệ số nhiệt lớn, điện trở xuất lớn, tính ổn định lý hóa tốt và tính thuần khiết của nhiệt trở kim loại. o Nhiệt điện trở bán dẫn: thường được chế tạo bằng bán dẫn thermistor. Thành phần chính của thermistor là bột của các oxit kim loại hoặc các hỗn hợp tinh chế như MgAl 2O4 ,Zn2TiO4. Nói chung, nhiệt điện trở bán dẫn được chia làm 2 loại:  Nhiệt điện trở Pct: là loại nhiệt điện trở có hệ số nhiệt dương, nghĩa là nhiệt độ tăng thì điện trở giảm. 33  Nhiệt điện trở Nct: thành phần chính là bột kim loại như: MnAl2O4 và Zn2TiO4. Độ tin cậy của nhiệt điện trở bán dẫn phụ thuộc vào độ tinh khiết của vật liệu chế tạo. - IC cảm biến nhiệt độ: đây là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển đổi thành điện, cho phép đo ở dạng điện áp hay dòng điện. Một số IC cảm biến thông dụng là: LX5700, LX135, LM235, LM335, AD590, LM134.v.v... 4.4. Cảm biến CO2 Hình 4.2: Cảm biến CO2 Hệ thống thông gió điều khiển theo yêu cầu DCV (demand - cotrol ventilation) dựa trên CO2 tương đối tiết kiệm chi phí cho những không gian không liên tục và có tỉ lệ chiếm chỗ dễ thay đổi như phòng hội thảo, thính phòng, nhà hát, phòng học hay sân bay v.v... Các ứng dụng điển hình khác của công nghệ này là ở các bệnh viện, casino, nơi người quản lý mong muốn có thể đảm bảo sự thông gió cần thiết và cần phải nhận được cảnh báo sớm khi có sự cố xảy ra. Cảm biến CO2 thường được gắn trên tường hay có thể tích hợp trong bộ điều nhiệt khả trình. 4.5. Van điện từ (Motorize valve) Hình 4.3: Van điện từ 34 Van điện từ trên thực tế có nhiều loại, nhưng cấu tạo khác biệt nhau, nhìn chung chúng đều dựa trên một nguyên lý cơ bản là có một cuộn điện, trong đó có một lõi săt và một lò so nén vào lõi sắt đó, lõi sắt đó lại tỳ vào đầu một gioăng cao su. Như vậy, bình thường không có điện thì lò so ép vào lõi sắt, để đóng van, khi đưa điện vào, cuộn dây sinh ra từ trường hút lõi sắt ra, từ trường này đủ mạnh thắng được lò so, khi đó van mở ra. Ví dụ các loại van điện từ thường gặp như van cấp nước máy giặt, van xả nước máy giặt, van đảo chiều của điều hòa không khí.v.v... Trong hệ thống điều hòa không khí và thông gió, về nguyên tắc hoạt động của van điện từ nó chịu sự điều khiển của hệ thống BMS, tên của của nó được gọi là MOTORIZED VALVE. Nó có tác dụng ON/OFF các hệ ống dẫn nhiệt, dẫn khí cung cấp và chịu sự điều khiển từ bảng điều chỉnh nhiệt độ, bảng này còn điều khiển tốc độ của quạt trong FCU và nhận tín hiệu từ tủ DDC mà đóng mở tiếp điểm tác động lên van. Tủ DDC này được lập trình dạng tín hiệu số DI, DO, AI, AO có trách nhiệm xử lý số do máy tính đưa tới. Van điện từ (solenoid valve) có nhiều loại: loại 2 ngả, 3 ngả, 5 ngả. Loại dùng cho khí nén, dùng cho nước, gaz, hơi nước. Loại thường đóng (NC), loại thường mở (NO), thường đóng: khi chưa có điện thì van đóng, khi có điện thì mở; loại thường mở thì ngược lại. Điện áp cuộn hút: 24VDC, 110VAC, 220VAC...