DƯƠNG TIẾN DIỄN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

DƯƠNG TIẾN DIỄN

ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT HOẠT ĐỘNG
CỦA CÁC THIẾT BỊ CƠ KHÍ THỦY CÔNG
TRONG CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TẠI VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

KHOÁ 2009
Hà Nội – Năm 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

DƯƠNG TIẾN DIỄN

XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA
CÁC THIẾT BỊ CƠ KHÍ THỦY CÔNG
TRONG CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TẠI VIỆT NAM

Chuyên ngành : Điều khiển và tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
Tiến sĩ Nguyễn Huy Phương

Hà Nội – Năm 2011


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan quyển luận văn thạc sỹ “Xây dựng hệ thống điều khiển
giám sát hoạt động của các thiết bị cơ khí thủy công trong các nhà máy thủy
điện tại Việt Nam” do tôi tự nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Huy
Phương với kết quả hoàn toàn có thật.
Để hoàn thành luận văn này tôi chỉ sử dụng các tài liệu ở danh mục tham
khảo, những kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và không sao
chép ở bất kỳ tài liệu nào.
Hà Nội, ngày 26 tháng 9 năm 2011
HỌC VIÊN


Luận văn thạc sĩ 2011.

MỤC LỤC
Trang phụ bìa…… …………………………………………………………….2
Lời cam đoan…..…..…………………………………………………………3
Bảng kí hiệu ...................................................................................................... 9 

Danh mục các bảng ......................................................................................... 10 
Danh mục các hình vẽ đồ thị ........................................................................... 11 
LỜI MỞ ĐẦU. ................................................................................................ 13 
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU. ......................... 15 
1.1.  Giới thiệu chung. ............................................................................. 15 
1.1.1.  Hệ thống điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công trên Thế giới .... 15 
1.1.2.  Tình hình nghiên cứu, tích hợp hệ thống điều khiển thiết bị cơ
khí thuỷ công trong nước. ....................................................................... 18 
1.1.3.  Giải pháp cho sản xuất hệ thống điều khiển trong nước .......... 20 
1.2.  Hệ thống điều khiển thiết bị thủy công nhà máy thủy điện. ........... 21 
1.2.1  Hệ thống điều khiển các cửa van cung đập tràn. ...................... 23 
1.2.2  Hệ thống điều khiển các cửa nhận nước. .................................. 28 
1.2.3  Các thiết bị đo lường chính trong hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ
công. 31 
1.2.4  Hệ thống thuỷ lực, điện và điều khiển. ..................................... 37 
CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP TÍCH HỢP HỆ THỐNG. ..................................... 39 
2.1.  Cơ sở thiết kế chung. ....................................................................... 39 
2.1.1.  Sơ đồ khối chức năng trạm điều khiển tại chỗ. ......................... 39 
2.1.2.  Sơ đồ khối chức năng trạm điều khiển từ xa ............................ 44 
2.1.3.  Tính toán thiết kế nguồn động lực: ........................................... 46 
2.2.  Lựa chọn tích hợp thiết bị ............................................................... 57 
2.3.  Cơ sở lập trình điều khiển và giao diện giám sát. ........................... 66 
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ CƠ KHÍ
THUỶ CÔNG CHO NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN SÊSAN 4 ............................ 75 
3.1.  Phân tích đối tượng điều khiển........................................................ 75 
3.1.1.  Hệ thống điện, thuỷ lực và các yêu cầu điều khiển .................. 75 
3.1.2.  Hệ thống đo lường bảo vệ và điều khiển hệ thống. .................. 81 
3.1.3.  Thu thập, xử lý dữ liệu và truyền thông.................................... 83 
3.2.  Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ thống................................. 83 
3.2.1.  Thuật toán cho các trạm điều khiển tại chỗ. ............................. 83 

3.2.2.  Thuật toán và liên động cho trạm điều khiển từ xa. ................. 86 
3.3.  Lập trình điều khiển cho hệ thống. .................................................. 89 
3.3.1.  Chương trình điều khiển trạm tại chỗ. ...................................... 89 
3.3.2.  Chương trình điều khiển trạm từ xa. ......................................... 93 
3.4.  Thiết kế giao diện người máy cho hệ thống. ................................. 100 
3.4.1.  Thiết kế các giao diện giám sát và điều khiển. ....................... 100 
4


Luận văn thạc sĩ 2011.

3.4.2.  Thiết kế các trang trợ giúp (help)............................................ 104 
3.4.3.  Thiết kế các giao diện thu thập dữ liệu, in ấn báo cáo. ........... 106 
KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................... 110 
TÀI LIỆU THAM KHẢO.
PHỤ LỤC.

5


Luận văn thạc sĩ 2011.

7


Luận văn thạc sĩ 2011.

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài: Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát hoạt động của các thiết bị cơ khí
thủy công trong các nhà máy thủy điện tại Việt Nam.

Tác giả luận văn : Dương Tiến Diễn.

Khóa: 2009

Người hướng dẫn: Tiến sỹ Nguyễn Huy Phương.
Nội dung tóm tắt:
a. Lý do chọn đề tài: Trong quá trình xây dựng hiện đại hóa đất nước, chúng ta
gặp rất nhiều khó khăn trong việc tích hợp các hệ thống điều khiển một phần là do công
nghệ chế tạo tích hợp trong nước còn yếu, phần khác là do chúng ta chưa nắm rõ được
công nghệ, chưa tập hợp được tài liệu có tính chuyên sâu, thực tiễn. Xuất phát từ thực tế
trên, trong khuôn khổ luận văn tác giả muốn giới thiệu một cách tiếp cận một hướng
nghiên cứu thiết kế cho một nhóm đối tượng mà cụ thể ở đây là tích hợp hệ thống điều
khiển cho nhóm các thiết bị cơ khí thủy công trong các nhà máy thủy điện tại Việt Nam.
b. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Trong chương 1, luận văn đã giới
thiệu khái quát về hệ thống cơ khí. Đây là một hệ thống phụ trợ của nhà máy thủy điện
nhưng có chức năng rất quan trọng. Nó đóng vai trò điều tiết nước và đảm bảo các điều
kiện an toàn cho đầu vào và toàn bộ quá trình vận hành của nhà máy. Hệ thống này bao
gồm các cửa van cung nhằm điều tiết mức hồ đập, hệ thống cửa nhận nước có vai trò
tiếp nhận đầu vào cho các tổ máy và đóng vai trò cửa van sự cố trước toàn bộ nhà máy
và một số hệ thống phụ trợ khác. Liên quan trực tiếp đến quá trình vận hành của nhà
máy nhưng lại thường có vị trí địa lí cách xa nhà máy, gây khó khăn trong quá trình vận
hành, giám sát. Vì vậy một hệ thống đáp ứng được các yêu cầu về giám sát, thu thập dữ
liệu và có khả năng phân tích đưa ra các lệnh điều khiển cho toàn bộ hệ thống với mức
độ tin cậy và tính năng dự phòng cao cần được thiết kế cho nhóm thiết bị này.
c. Nội dung: Trong phạm vị đề tài tác giả giới thiệu công nghệ thủy lực được thiết
kế dành cho cơ cấu chấp hành trong hệ thống nâng hạ cửa van cung đập tràn và cửa
nhận nước, trên cơ sở thiết kế đó là phương pháp đo lường và các thiết tự động hóa
thường được sử dụng trong hệ thống. Trên cơ sở các nguyên tắc, tiêu chuẩn thiết kế,
luận văn cũng nêu ra phương án tính chọn thiết bị dựa trên thiết kế cơ sở, lựa chọn
phương án, cấu hình và đưa ra logic cho toàn bộ hệ thống giám sát điều khiển (Chi tiết

thể hiện trong chương 2) với ba cấp điều khiển:
1. Tại chỗ: được bố trí tại các trụ bin trên bề mặt đập, tại đây người vận hành có
thể thao tác điều khiển thiết bị trực tiếp trên các panel được bố trí nhằm mục đích quan
sát trực tiếp bằng mắt các thiết bị trường. Với kết nối dây truyền thống, hệ thống điều
khiển rơ le được thiết kế song song với hệ thống PLC điều khiển riêng rẽ, hệ thống tủ

8


Luận văn thạc sĩ 2011.

BẢNG CÁC KÝ HIỆU

PLC

Bộ điều khiển khả trình (Programmable logic controller)

STEP7

Chương trình lập trình điều khiển cho PLC họ Siemens

WINCC

Chương trình cơ sở cho lập trình giao diện giám sát và điều khiển

VXL

Hệ vi xử lý bao gồm bộ xử lý trung tâm MC, bộ nhớ, bus ...

CPU


Khối xử lý trung tâm

OPC

Phần mềm liên kết thiết bị điều khiển (Open Connectivity)

OS

Trạm vận hành

ATS

Bộ chuyển nguồn tự động (Auto Transfer Switch)

UPS

Bộ cấp nguồn liên tục (Uninterruptible Power Supply)

TI

Biến dòng (Current transformer)

TU

Biến áp đo lường (Voltage transformer)

HMI

Hệ thống giao diện người – máy (Human Machine Interface)


IDE

Môi trường phát triển tích hợp (Integrated Developer Environment)

PC

Máy tính cá nhân (Personal Computer)

9


Luận văn thạc sĩ 2011.

SP

Giá trị điểm đặt (Set Point)

PV

Giá trị quá trình (Process Value)

DB

Khối dữ liệu (Data Block)

IM

Mô đun cho mở rộng rack (Interface Module)


I/O

Kết nối vào/ra (input/output)

DCS

Hệ thống điều khiển phân tán (Distributed control system)

SCADA

Hệ thống giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu (Supervisory
Control And Data Acquisition).

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1

Công suất tiêu thụ của các thiết bị động lực

54

Bảng 2.2

Tính toán thiết bị PLC điều khiển của trạm tại chỗ

56

Bảng 2.3

Tính công suất tiêu thụ nguồn DC trạm tại chỗ


58

Bảng 2.4

Tính chọn thiết bị PLC trạm điều khiển từ xa

59

Bảng 2.5

Yêu cầu bộ nhớ chương trình và thời gian đáp ứng của PLC tại

Bảng 2.6

trạm điều khiển từ xa.

60

Tính công suất tiêu thụ nguồn DC trạm từ xa

61

10


Luận văn thạc sĩ 2011.

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang

Hình 1.1

Sơ đồ mặt bằng chung hệ thống cơ khí thủy công nhà máy thủy
điện.

18

Hình 1.2

Vị trí, hình dạng và kết cấu cửa van cung xả tràn

19

Hình 1.3

Sơ đồ công nghệ máy nâng thủy lực cửa van cung đập tràn

22

Hình 1.4

Sơ đồ tổng thể hệ thống điều khiển cửa van cung

23

Hình 1.5

Sơ đồ công nghệ máy nâng thủy lực cửa nhận nước

26


Hình 1.6

Một số kiểu dáng của thiết bị giám sát trạng thái

28

Hình 1.7

Cặp tiếp điểm của thiết bị giám sát trạng thái

28

Hình 1.8

Thiết bị đo góc và phát xung Encoder

29

Hình 1.9

Sơ đồ xung ra của một bộ encoder

30

Hình 1.10 Kiểu dáng đầu đo mức dùng phương pháp đo chênh áp

31

Hình 1.11 Các kiểu dáng đầu dò rađa, siêu âm, bộ điều khiển cho hệ thống

đo mức nước

32

11


Luận văn thạc sĩ 2011.

Hình 2.1
Hình 2.2

Sơ đồ chung hệ thống nâng hạ cửa van, trạm điều khiển tại chỗ–
hệ thống cơ khí thuỷ công

36

Sơ đồ khối trạm điều khiển tại chỗ cho hệ thống điều khiển thuỷ

39

lực nâng hạ cửa van – hệ thống cơ khí thuỷ công.
Hình 2.3

Sơ đồ khối trạm điều khiển từ xa cho hệ thống điều khiển thuỷ lực
nâng hạ cửa van – hệ thống cơ khí thuỷ công.

41

Hình 2.4


Đặc tính thời gian- dòng điện của rơ le nhiệt và động cơ điện

45

Hình 2.5

Bố trí đèn cảnh báo và các công tắc vận hành trạm ĐK tại chỗ

48

Hình 2.6

Lực nâng, hạ của xi lanh thuỷ lực và hướng tác dụng của dầu thuỷ

49

lực.
Hình 2.7

Kết nối PC với PLC họ S7200.

63

Hình 2.8

Lựa chọn ngôn ngữ lập trình cho PLC.

64


Hình 2.9

Các phương thức và đối tượng kết nối của STEP7-V5.3-SP2.

64

Hình 2.10 Cấu hình phần cứng cho PLC S7-300.

65

Hình 2.11 Lựa chọn kiểu kết nối với PLC trong WinCC-V6.0-SP2.

66

Hình 2.12 Thiết lập giao diện giám sát và điều khiển trong WinCC-V6.0.

67

Hình 2.13 Xây dựng giao diện giám sát và điều khiển dùng WinCC.

68

Hình 2.14 Thiết kế thu thập lưu trữ dữ liệu trong WinCC-V6.0.

68

Hình 2.15 Thiết kế trang in ấn trong WinCC-V6.0.

69


Hình 3.1

Sơ đồ thuật toán hoạt động của trạm điều khiển tại chỗ.

81

Hình 3.2

Sơ đồ thuật toán hoạt động của trạm điều khiển từ xa.

84

Hình 3.3

Gọi Subroutine đếm xung và truyền dữ liệu vào bộ đếm.

85

Hình 3.4

Gọi hàm HSC0 đếm xung từ Encoder.

86

Hình 3.5

Đặc tính xả tràn 4 cấp độ.

87


Hình 3.6

Cấu hình kết nối và điều khiển hệ thống.

91

Hình 3.7

Cấu hình phần cứng của thiết bị PLC trạm điều khiển từ xa.

92

Hình 3.8

Thiết lập cấu hình phần cứng trạm điều khiển từ xa.

93

Hình 3.9

Các khối chức năng sử dụng trong chương trình.

94

Hình 3.10 Đặc tính xả tràn cho lập trình điều khiển trạm từ xa.

12

95



Luận văn thạc sĩ 2011.

Hình 3.12 Tạo Project mới và tạo kết nối PLC từ WinCC.

96

Hình 3.13 Màn hình chính giao diện giám sát và điều khiển tại đập tràn

97

Công trình thuỷ điện Sê San 4.
Hình 3.14 Giao diện đăng nhập hệ thống.

98

Hình 3.15 Giao diện điều khiển cho cửa số 1- đập tràn.

99

Hình 3.16 Giao diện điều khiển cho cửa số 1- cửa nhận nước.

100

Hình 3.17 Xây dựng các trang HTML sử dụng Microsoft FrontPage.

101

Hình 3.18 Liên kết các file *.htm thành các file*.chm dùng HTML Help
Workshop.


102

Hình 3.19 Kết quả chạy file help.exe liên kểt đến các trang Help.

102

Hình 3.20 Thiết kế bảng thu thập và xử lý dữ liệu.

103

Hình 3.21 Thiết kế trang báo cáo cho các cửa riêng biệt.

104

Hình 3.22 Thiết kế trang giao diện báo cáo chung cho hệ thống.

105

LỜI MỞ ĐẦU.
Những năm gần đây (từ năm 2002 đến nay) được sự quan tâm phát triển ngành
cơ khí, điện, chế tạo trong nước của Đảng và Nhà nước ta, các đơn vị chế tạo trong
nước đã đảm bảo được các công việc từ thiết kế đến cung cấp trọn gói các hệ thống
thiết bị cơ khí thuỷ công ở mọi quy mô. Hệ thống các thiết bị cơ khí thuỷ công
được đánh giá là hệ thống rất quan trọng và chiếm tỷ trọng giá trị cao trong các
công trình thuỷ điện. Những thành công bước đầu trong việc cung cấp toàn bộ hệ
thống từ thiết kế đến chế tạo các thiết bị cơ khí thuỷ công cho các nhà máy thuỷ
điện Plêi-Krông, Buôn-Kuốp, AVương ... của các đơn vị trong nước đã đặt niềm tin
vững chắc cho Chính phủ về khả năng cung cấp hoàn chỉnh các hệ thống thiết bị cơ
khí thuỷ công cho các nhà máy thuỷ điện lớn trong nước.

Hệ thống điều khiển các thiết bị cơ khí thủy công là một phần rất quan trọng và
không thể thiếu được trong việc cung cấp các thiết bị đồng bộ. Sự hoạt động an
toàn, tin cậy và hiệu quả của toàn bộ hệ thống thiết bị cơ khí thủy công phụ thuộc
phần lớn vào sự an toàn, tin cậy của hệ thống điều khiển. Việc thiết kế và chế tạo
tích hợp một hệ thống điều khiển trọn bộ hoàn toàn có thể thực hiện trong nước,

13


Luận văn thạc sĩ 2011.

bằng năng lực và trình độ của các kỹ sư Việt Nam. Tuy nhiên lại chưa có một tài
liệu nào cụ thể về vấn đề này, một phần là do trước đây nước ta đã phụ thuộc quá
nhiều vào các nhà thầu nước ngoài trong lĩnh vực năng lượng nói chung mà ở đây là
1 phần của nhà máy thủy điện.
Xuất phát từ thực tế trên, nhằm đẩy mạnh công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất
nước, đề tài nghiên cứu trong luận văn này có mục tiêu nhằm cụ thể hoá và xây
dựng các cơ sở lý thuyết cũng như thực tế để tiến tới việc chúng ta hoàn toàn làm
chủ quá trình thiết kế, tích hợp và chế tạo được hệ thống điều khiển áp dụng cho các
công trình thuỷ điện đã và đang xây dựng trong nước. Trong khuôn khổ luận văn
này, tác giả muốn giới thiệu một cách tổng quan, một hướng nghiên cứu, thiết kế và
tích hợp hệ thống điều khiển cho các thiết bị cơ khí thuỷ công trong nhà máy thuỷ
điện, đây là một hệ thống hết sức quan trọng và không thể thiếu trong các nhà máy
thuỷ điện. Nó chiếm tỷ trọng lớn (cỡ 30%) trong tổng mức đầu tư thiết bị cơ điện
trong mỗi nhà máy. Theo đặc tính địa hình dốc và mô hình bậc thang khi xây dựng
các nhà máy thủy điện luận văn cũng đưa ra phương pháp điều khiển phối hợp của
các nhà máy. Đây là một điểm mới mà trước đây hệ thống thủy điện của ta chỉ được
xây dựng đơn chiếc mà không có cơ sở là sơ đồ quy hoạch thủy điện của chính phủ.
Bằng kinh nghiệm thực tế tác giả cũng giới thiệu một thiết kế cho công trình tiêu
biểu đã được xây dựng và đưa vào hoạt động như một mô hình nội địa hóa thành

công tại Việt Nam.
Những nội dung chủ yếu đề cập trong các chương dưới đây sẽ nêu chi tiết về
các giải pháp, lựa chọn tích hợp hệ thống cũng như toàn bộ những cơ sở lý thuyết,
thực tế xây dựng hệ điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công cho các công trình thuỷ
điện trong nước. Nội dung trong chương 3 sẽ cụ thể hoá các vấn đề bằng việc áp
dụng thiết kế, tích hợp và lập chương trình điều khiển cho hệ thống điều khiển các
cửa van cung cho công trình thuỷ điện Sêsan4.

14


Luận văn thạc sĩ 2011.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.
1.1. Giới thiệu chung.
1.1.1. Hệ thống điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công trên Thế giới
a) Sự phát triển công nghệ và hệ thống điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công
Mặc dù việc phát minh và ứng dụng năng lượng của nguồn điện nói chung và
nguồn năng lượng thuỷ điện nói riêng đã có từ rất sớm (từ trước những năm 1900),
nhưng kể từ năm 1970 trở về trước khi kỹ thuật máy tính, vi mạch còn chưa phát
triển thì hầu hết các hệ thống điều khiển tự động cũng như hệ thống điều khiển thiết
bị cơ khí thuỷ công đều hết sức thô sơ. Việc điều khiển các thiết bị cơ khí thuỷ công
chỉ đơn giản là việc nâng hoặc hạ các cửa van và thường được sử dụng là các tời
quay tay và về sau là các tời điện. Kể từ khi chiếc máy tính cá nhân đầu tiên
IBM650 được tung ra thị trường năm 1960 bởi hãng IBM, thì cũng là lúc cuộc cách
mạng về công nghệ điều khiển tự động nổ ra và phát triển. Chỉ từ sau những năm
1970 khi công nghệ chế tạo các thiết bị điều khiển tự động công nghệ cao phát triển,
thì hệ thống điều khiển các thiết bị cơ khí thuỷ công mới có những thay đổi lớn.
Việc đòi hỏi phải điều khiển chính xác, nhanh cũng như các yêu cầu về nâng cao
chất lượng điện năng và giảm giá thành sản xuất trong các nhà máy điện đặt ra càng

cấp bách, việc nghiên cứu ứng dụng các hệ thống điều khiển thuỷ lực, tự động hoá
cho điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công là một xu hướng tất yếu.

15


Luận văn thạc sĩ 2011.

Ngày nay trên Thế giới có rất nhiều nhà sản xuất đầu tư nghiên cứu và cung cấp
cho thị trường các loại xi lanh thuỷ lực có lực nâng và khoảng di chuyển rất lớn. Hệ
thống điều khiển các thiết bị cơ khí thuỷ công sử dụng thuỷ lực đem lại sự làm việc
chính xác, an toàn cho các cửa van và cho phép tích hợp điều khiển tự động ở mức
cao. Các hệ thống điện điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công cũng dựa trên cơ sở của
công nghệ tự động hoá mà phát triển phù hợp.
Các nước tiên tiến đã có những bước phát triển rất cao trong lĩnh vực tự động
hoá với những hãng hàng đầu thế giới như là Siemens, ABB, Yokogawa,
Honeywell, Mitsubishi, Invensys, Wonderware, Yamatake. Và theo các mức độ ứng
dụng thì các hệ thống tự động hoá cũng được phân loại thành một số mức gồm có
bộ điều khiển vòng kín loop-control, bộ điều khiển khả trình (PLC), bộ điều khiển
lai (hybrid-control), bộ điều khiển phân tán (DCS) cùng với các hệ thống giao diện
người máy (HMI), các hệ thống điều khiển giám sát, thu thập và quản lý dữ liệu
(SCADA), các hệ thống điều khiển kiểu PCI, PXI, là những loại máy tính dùng cho
điều khiển, có tích hợp các I/O và có chức năng như các máy PC.
Bộ điều khiển vòng kín (loop-control) thường được sử dụng cho các ứng dụng
nhỏ, bao gồm 1 hoặc 2 vòng kín. Đặc điểm đơn giản dễ sử dụng, tốc độ xử lý và
đáp ứng điều khiển thời gian thực cao, giá thành thấp, lập trình và hiển thị nằm ngay
trên bộ điều khiển.
Bộ điều khiển PLC thường tập trung sử dụng cho các ứng dụng điều khiển logic,
đồng thời nó cũng được tích hợp các môđun tín hiệu tương tự cho phép điều khiển
các vòng lặp tương tự.

Bộ điều khiển lai là giải pháp tích hợp giữa loop control và PLC. Tuy nhiên khả
năng xử lý của bộ điều khiển lai mạnh hơn nhiều, có thể sử dụng cho các bài toán
điều khiển có độ phức tạp cao, hay cho một dây chuyền sản xuất cỡ trung bình.
Nhiều bộ điều khiển lai có thể được tích hợp với nhau để giải quyết những bài toán
lớn cho cả nhà máy.
Hệ thống điều khiển phân tán DCS là giải pháp điều khiển toàn diện cho toàn
nhà máy, với khả năng xử lý lớn, rất phức tạp. Hệ thống điều khiển phân tán DCS

16


Luận văn thạc sĩ 2011.

không chỉ dừng với vai trò điều khiển, mà còn liên kết chặt chẽ với hệ thống thông
tin, hệ thống cơ sở dữ liệu hay các bài toán quản lý, điều khiển chất lượng ...
Hệ thống giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu (SCADA). Xét về cấu trúc
phần cứng, hệ thống điều khiển SCADA gần giống với hệ thống điều khiển DCS.
Có vài điểm phân biệt DCS và SCADA là: Hệ thống DCS là hệ thống điều khiển
thiên về điều khiển quá trình (Process), còn hệ thống SCADA là hệ thống điều
khiển thiên về sự kiện (Event). Về ý nghĩa này, thì hệ SCADA sẽ ưu tiên tác dụng
và phản ứng với các sự kiện thay đổi của quá trình, còn DCS sẽ tác dụng trực tiếp
và điều khiển quá trình. Tuy nhiên do mức độ phát triển rất mạnh của công nghệ
thông tin, thì hai hệ thống này đã tiến gần với nhau và chúng ta rất khó phân biệt
rạch ròi giữa chúng.
Các hệ thống máy tính điều khiển (PCI, PXI) hiện tại vẫn còn mới đối với thị
trường Việt nam. Tuy nhiên với những tính năng giao diện cao, dễ dàng cho phép
chúng ta thiết lập mạng điều khiển nhiều cấp độ, hy vọng một thời gian nữa chúng
sẽ được ứng dụng rộng rãi thay cho các hệ thống chỉ dùng PLC.
Để xây dựng hệ thống điều khiển cho các thiết bị cơ khí thuỷ công người ta áp
dụng tất cả các loại hệ thống điều khiển kể trên. Các bộ điều khiển loop, hybrid,

PLC thường được sử dụng cho các thiết bị tại hiện trường. Còn các hệ thống DCS,
SCADA được sử dụng cho các bộ điều khiển nhóm hoặc hệ thống điều khiển nhà
máy. Tuy nhiên tuỳ vào quy mô công suất và các yêu cầu cụ thể của từng dự án mà
chúng được áp dụng với những cấu trúc và quy mô khác nhau.
b) Những phương pháp điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công
Những phương pháp áp dụng cho điều khiển hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ công
cũng như áp dụng cho các hệ thống điều khiển khác, nó phải phù hợp với sự phát
triển công nghệ và những yêu cầu đáp ứng của thiết bị cụ thể. Khi công nghệ VXL
chưa phát triển thì các hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ công chỉ áp dụng phương pháp
điều khiển trực tiếp, người vận hành phải trực tiếp quay (hoặc dùng tời điện) nâng
hoặc hạ cửa theo yêu cầu xả lũ. Từ sau những năm 1970, đặc biệt là khi công nghệ
chế tạo các thiết bị thuỷ lực phát triển và áp dụng vào nâng hạ các cửa van thuỷ

17


Luận văn thạc sĩ 2011.

điện, thì các phương pháp điều khiển mới được áp dụng và có chiều hướng ngày
càng phong phú, đa dạng.
Do yêu cầu thực tế đặt ra cho hệ thống điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công ngày
càng cao, đòi hỏi phải áp dụng các phương pháp điều khiển tự động có chất lượng
cao, ổn định, chính xác trong vận hành, có khả năng điều khiển tập trung cao. Điều
tất yếu xảy ra là cuộc cạnh tranh giữa các hãng sản xuất cung cấp thiết bị về công
nghệ và phương pháp điều khiển. Có rất nhiều các phương pháp điều khiển tự động
được nghiên cứu áp dụng cho điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công như phương pháp
điều khiển bền vững (robust control), điều khiển thích nghi (adaptive control), điều
khiển dự đoán (predictive control), điều khiển tối ưu (optimal control), điều khiển
thông minh (intelligent control), Vì hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ công có thời gian
nghỉ làm việc và hằng số thời gian rất lớn, do vậy các phương pháp điều khiển tự

động tối ưu, điều khiển thích nghi không phát huy hiệu quả và do đó ít được sử
dụng. Những phương pháp thường được sử dụng hiện nay là phương pháp điều
khiển bền vững, hệ thống này luôn tính toán điểm đặt của quá trình và điều khiển
đạt độ sai lệch tĩnh nhỏ nhất. Phương pháp điều khiển dự đoán là một trong những
phương pháp được ưu chuộng vì thực chất của phương pháp này kết hợp 03 thành
phần là dự báo, tối ưu trong dải làm việc và cập nhật phản hồi trực tiếp. Các hệ
thống điều khiển thông minh sử dụng các phương thức tính toán điều khiển hiện đại
như điều khiển mờ (fuzzy), hệ điều khiển cấu trúc nơron, cũng đang được nghiên
cứu áp dụng cho điều khiển tại một số hệ thống cơ khí thuỷ công trong các nhà máy
thuỷ điện lớn, mức độ điều khiển tập trung cao. Việc áp dụng các phương pháp điều
khiển thông minh đòi hỏi phải có bộ điều khiển cấu hình mạnh, nên nó chỉ áp dụng
được đối với những hệ thống có mức độ điều khiển tập trung cao.
1.1.2. Tình hình nghiên cứu, tích hợp hệ thống điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công
trong nước.
Trong những năm vừa qua nước ta đã có rất nhiều nhà máy thuỷ điện được xây
dựng với công suất từ 10 MW đến 2400 MW. Hệ thống tự động hoá điều khiển sử
dụng trong các nhà máy này tương đối đồng bộ và hiện đại, được cung cấp bởi các

18


Luận văn thạc sĩ 2011.

hãng nổi tiếng. Hầu hết các dự án này có hệ thống tự động hoá được mua trọn bộ
của nước ngoài bao gồm từ phần cứng thiết bị điều khiển, các tủ điện, tủ rơle,… đến
công tác kỹ thuật lập trình tích hợp hệ thống và đào tạo chuyển giao công nghệ. Chi
phí rất lớn do giá nhân công nước ngoài cao, chi phí đi lại vận chuyển sinh hoạt cao,
hơn nữa cho đến khi nhà máy đi vào sản xuất, chi phí bảo dưỡng sửa chữa hàng
năm cũng rất lớn do trong nước không chủ động nắm được thiết kế, chương trình
nên thời gian dừng máy lâu do phải đợi chuyên gia từ nước ngoài sang.

Mặc dù tiềm lực đội ngũ khoa học kỹ thuật trong nước là rất lớn, song do mặt
bằng công nghệ chế tạo các thiết bị điện, tự động hoá còn thấp so với khu vực. Mặt
khác chúng ta chưa thật sự đánh giá đúng mức tầm quan trọng của việc tích hợp hệ
thống, nên đa phần áp dụng hình thức chìa khoá trao tay.
Những năm gần đây do nhận thức được tầm quan trọng của việc đẩy mạnh sản
xuất, tích hợp trong nước Chính phủ đã quan tâm và tạo điều kiện cho ngành cơ khí,
tự động hoá trong nước phát triển và đặc biệt là việc thiết kế chế tạo các hệ thống cơ
khí thuỷ công theo cơ chế 797. Thực tế đã cho thấy rằng không nhất thiết chúng ta
phải sản xuất được các thiết bị công nghệ cao, các thiết bị đo lường … vẫn có thể
cung cấp được các sản phẩm thiết bị đồng bộ với tỷ lệ nội địa hoá ngày càng tăng.
Xét riêng về việc thiết kế tích hợp các hệ thống điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ
công trong nước thì hầu hết các nhà máy thuỷ điện đã vận hành từ năm 2000 trở về
trước như Hoà Bình, Hàm Thuận Đa Mi, Thác Bà, đều sử dụng hệ thống nâng hạ
các cửa van bằng tời điện, mức độ tự động hoá rất hạn chế. Những nhà máy thuỷ
điện xây dựng trong những năm gần đây hầu hết đều sử dụng hệ thống thuỷ lực vào
việc điều khiển nâng hạ các thiết bị cơ khí thuỷ công như Buôn-Kuốp, A-Vương, Sê
San4, Plêi-Krông.
Chưa có một đơn vị trong nước nào được thực hiện việc thiết kế, chế tạo các
thiết bị cơ khí thuỷ công cho một số nhà máy thủy điện tính từ năm 2002 trở về
trước đây, nên chưa có một tài liệu chính thức nào công bố tỷ lệ nội địa hoá của
thiết bị điện, điều khiển sản xuất trong nước cho các hệ thống này. Theo đánh giá
chủ quan của tác giả, người trực tiếp thực hiện các công trình thủy điện thì chúng ta

19


Luận văn thạc sĩ 2011.

đạt được tỷ lệ nội địa hoá từ 50% đến 60% bằng cách tính hiệu giá trị hợp đồng trừ
đi tổng giá trị các thiết bị nhập khẩu và các chi phí phụ.

Giá trị sản xuất trong nước các thiết bị điện điều khiển nằm ở việc thiết kế, tích
hợp chế tạo, lập trình điều khiển và giám sát hệ thống trên cơ sở những thiết bị nhập
khẩu như đo lường, PLC, phần mềm cơ sở. Trong các hệ thống điều khiển tự động
thì giá trị phần thiết kế, phần mềm điều khiển phù hợp với yêu cầu công nghệ chiếm
tỷ lệ đến 40% tổng giá trị của hệ thống đồng bộ. Như vậy việc thiết kế tích hợp các
hệ thống điện, tự động hoá trong nước có ý nghĩa rất to lớn, mặc dù chúng ta không
chế tạo được các thiết bị điện tử, đo lường đòi hỏi yêu cầu công nghệ cao nhưng
chúng ta vẫn hoàn toàn chủ động trong việc cung cấp các hệ thống điều khiển với
trình độ tự động hoá tiên tiến mà vẫn giữ tỷ lệ sản xuất nội địa cao.
Phương pháp điều khiển các hệ thiết bị cơ khí thuỷ công hiện nay thường chỉ
dùng phương pháp điều khiển bền vững. Tuy nhiên để đạt được mức độ khái quát
cho áp dụng nhiều loại hệ thống điều khiển cơ khí thuỷ công khác, một vài đơn vị
trong nước đã ứng dụng phương pháp điều khiển dự đoán, cụ thể của bộ điều khiển
tự động này là bộ điều khiển PID vòng kín với một bộ tham số tối ưu. Bộ tham số
tối ưu sẽ bù trừ được hằng số thời gian rất lớn của đối tượng và đặc biệt hơn là nó
áp dụng được trên các bộ PLC cỡ nhỏ hiện nay. Việc ứng dụng các bộ điều khiển
thông minh cho điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công sẽ là xu hướng phát triển vì nó
có khả năng đáp ứng được cho mọi hệ thống cơ khí thuỷ công với độ chính xác điều
khiển cao, tuy nhiên nó chỉ có thể thực hiện được trong các bộ vi xử lý có cấu hình
mạnh.
1.1.3. Giải pháp cho sản xuất hệ thống điều khiển trong nước .
Như đã phân tích trong các phần trên thì việc làm chủ công nghệ và chủ động
trong thiết kế, chế tạo các hệ thống điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công là một đòi
hỏi cấp bách hiện nay, nó vừa là cơ hội và cũng là thử thách đối với các đơn vị chế
tạo trong nước. Mong muốn chế tạo được tất cả các thiết bị đòi hỏi công nghệ cao
để ngày càng nâng cao tỷ lệ sản xuất trong nước là nhẽ tất nhiên, nhưng với trình độ
công nghệ chế tạo trong nước hiện nay chưa cho phép chúng ta có thể sản xuất toàn

20



Luận văn thạc sĩ 2011.

bộ các thiết bị điện, điều khiển như PLC, các thiết bị đóng cắt, các thiết bị đo lường
đạt tiêu chuẩn quốc tế. Do đó việc chọn giải pháp thiết kế tích hợp và lập trình điều
khiển để có thể cung cấp ra thị trường những hệ thống điều khiển đồng bộ chất
lượng cao là giải pháp tốt nhất hiện nay. Nếu chúng ta hoàn toàn làm chủ được các
việc từ thiết kế, tích hợp, lập chương trình điều khiển và đưa hệ thống vào vận hành
ổn định trên cơ sở đáp ứng đầy đủ các yêu cầu công nghệ đặt ra thì tỷ lệ sản xuất
trong nước đã có thể tính là trên 50%.
1.2.

Hệ thống điều khiển thiết bị thủy công nhà máy thủy điện.
Tại hầu hết các công trình thuỷ điện hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ công luôn bao

gồm hệ thống các cửa nhận nước và hệ thống các cửa van cung xả tràn. Ngoài ra tuỳ
vào đặc điểm và quy mô cụ thể của mỗi công trình có thể có thêm các hệ thống cửa
xả sâu, hệ thống cửa van đập điều hoà, hệ thống van côn xả đáy ... Hệ thống điều
khiển luôn bao gồm việc đảm bảo điều khiển hoàn toàn, tin cậy mọi hoạt động của
các thiết bị trong phạm vi và hệ thống các thiết bị đo lường, cảnh báo và bảo vệ.
Trong khuôn khổ của luận văn, chúng ta sẽ đi vào nghiên cứu các hệ thống cơ bản
trong hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ công là cửa nhận nước, cửa đập tràn và hệ thống
các thiết bị đo lường. Dưới đây là mặt bằng chung nhất của hệ thống cơ khí thủy
công trong một nhà máy thủy điện cỡ trung (loại nhà máy sau đập).

21


Luận văn thạc sĩ 2011.


Hình 1.1: Sơ đồ mặt bằng chung hệ thống cơ khí thủy công nhà máy thủy điện

22


Luận văn thạc sĩ 2011.

1.2.1 Hệ thống điều khiển các cửa van cung đập tràn.
Hệ thống các cửa van cung đập tràn có chức năng tích nước, xả nước và điều
tiết mức nước trong hồ chứa cho công trình thuỷ điện. Số lượng các cửa xả, lưu
lượng xả cũng như các thông số về kích thước mỗi cửa xả phụ thuộc vào quy mô và
các điều kiện cụ thể của mỗi công trình. Mỗi công trình thuỷ điện có thể có từ 2 đến
12 cửa xả tràn. Có thể thiết kế các cửa xả tràn theo kiểu phẳng hay kiểu vòng cung,
song vì các đặc tính chịu lực và đảm bảo độ bền theo yêu cầu mà hầu hết các công
trình thuỷ điện trong nước hiện nay đều sử dụng các cửa van xả tràn có dạng vòng
cung và được gọi là các cửa van cung. H 1.1 thể hiện hình dạng, vị trí và kết cấu cơ
khí của một cửa van cung.

Hình 1.2: Vị trí, hình dạng và kết cấu cửa van cung xả tràn

Để điều khiển việc nâng, hạ cửa van cung ta có thể dùng hai dạng kết cấu điều
khiển cơ bản là dùng tời điện để kéo và hạ cửa van hoặc dùng hệ thống xi lanh thuỷ
lực để nâng, hạ cửa van.
Hệ thống nâng hạ cửa van cung sử dụng tời điện thì kết cấu cơ khí phải đảm
bảo việc đồng tốc giữa hai nửa của cửa van. Để thực hiện việc này tại một số công
trình thuỷ điện sử dụng một động cơ truyền động, có trục gắn cứng để kéo đồng
thời cả hai nửa của van. Hệ thống giám sát và điều khiển độ mở cửa van trong

23



Luận văn thạc sĩ 2011.

trường hợp này không có gì đặc biệt. Tuỳ theo yêu cầu cụ thể mà có thể có bộ đo và
hiển thị góc mở liên tục hoặc có thể chỉ dùng các công tắc báo trạng thái, vị trí cửa
từ 4 đến 6 cấp. Thực tế cho thấy việc điều khiển nâng hạ cửa van cung bằng tời điện
thì cấu trúc hệ thống điều khiển tương đối đơn giản. Tuy nhiên nó có một số nhược
điểm như sau:
- Phải bảo trì hệ thống cáp thường xuyên.
- Hệ thống tời điện khi khởi động nâng cửa van sẽ phải khởi động động cơ trong
trạng thái đầy tải gây ảnh hưởng đến nguồn điện chung.
- Việc điều khiển độ mở cửa van cung tới vị trí điểm đặt có độ sai lệch lớn.
Ngày nay việc chế tạo và ứng dụng các hệ thống thuỷ lực vào các công đoạn đòi
hỏi độ ổn định chính xác làm việc cao với tải trọng lớn như là một điều tất yếu. Hệ
thống điều khiển nâng hạ các cửa van cung xả tràn cho các nhà máy thuỷ điện cũng
vậy. Tải trọng làm việc rất lớn (tải trọng nâng cửa van cung khoảng 250 tấn) và độ
chính xác yêu cầu điều khiển cỡ mm so với toàn dải nâng khoảng từ 7 đến 10 mét.
Do vậy hệ thống điều khiển nâng hạ các cửa van cung đập tràn phổ biến sử dụng
hiện nay là hệ thống nâng hạ bằng xi lanh thuỷ lực. Hệ thống nâng hạ các cửa van
cung bằng thuỷ lực thường sử dụng là hệ thống có 02 xi lanh thuỷ lực nâng hạ đồng
thời hai bên sườn của cửa van cung. Do kết cấu đặc thù của van cung mà phần cơ
khí chế tạo đảm bảo độ cứng, tránh xô lệch giữa hai bên cửa nên không cần có bộ
phận đồng bộ hai xi lanh khi khoảng vượt cửa van cung nhỏ hơn 10 mét. Trong
trường hợp bề rộng cánh cửa van cung lớn từ 15 mét trở lên thì hệ thống thuỷ lực
cần phải bổ sung bộ điều chỉnh đồng bộ việc nâng hạ hai nửa van để tránh các hiện
tượng xô lệch trong quá trình nâng hạ cửa. Hình 1.2 là sơ đồ hệ thống thuỷ lực nâng
hạ cửa van cung, có sử dụng 02 bộ đồng bộ thuỷ lực giữa hai xi lanh.
Ngoài ra do các yêu cầu về an toàn tuyệt đối trong việc đảm bảo vận hành các
cửa van cung, nhất là khi có yêu cầu xả lũ, mà hệ thống điều khiển nâng hạ cửa van
cung bằng thuỷ lực luôn được trang bị thêm một bơm thuỷ lực vận hành bằng tay và

một bộ lọc dầu di động. Mỗi cửa van cung thường được trang bị 02 chốt treo van

24


Luận văn thạc sĩ 2011.

cung sử dụng trong chế độ mở hoàn toàn trong thời gian dài. Vì vậy hệ thống điều
khiển cửa van cung phải bao hàm cả việc điều khiển và giám sát các chốt cơ khí.

25


Luận văn thạc sĩ 2011.

Hình 1.3: Sơ đồ công nghệ đập tràn.

26