BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ
7464
28/7/2009

Hà Nội -2008
BÁO CÁO
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
CẤP BỘ – NĂM 2007

Tên đề tài:
“ Nghiªn cøu thiÕt kÕ Vµ chÕ t¹o THIÕT BÞ §O §é Më
VAN CUNG, KÕT NèI Vµ GI¸M S¸T §IÒU KHIÓN Tù §éNG”
Mã số: 243.08.RD/HĐ-KHCN
THỦ TRƯỞNG ĐƠN VỊ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI
Phan Thạch Hổ Vũ Văn Điệp


3.1. Lựa chọn thiết bị điều khiển. 24
3.2. Chương trình tính toán đo độ mở van cung 25
3.3. Kết luận 29
Chương 4 30
KHẢO NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 30
4.1. Quy trình khảo nghiệm 30
4.2. Đánh giá kết quả khảo nghiệm 35
Chương 5 36
CÁC KẾT LUẬN 36
- Các kết quả chính của đề tài 36
CÁC PHỤ LỤC - Tài liệu tham khảo
- Phần mềm điều khiển
- Bản vẽ thiết kế
- Biên bản họp hội đồng KHCN 1
DANH SÁCH CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA

TT Họ và tên
Học hàm, học vị,
chuyên môn
Cơ quan công tác
1
Vũ Văn Điệp Kỹ sư
Viện NARIME

tiêu quan trọng trong công cuộc phát triển đất nước.
Một xu hướng quan trọng trong kế hoạch điện khí hoá là đẩy nhanh việc
xây dựng các công trình thuỷ điện, trong đó việc nội địa hoá các hạng mục trong
công trình mà trước đây chúng ta phải nhập khẩu hoặc ph
ải thuê chuyên gia
nước ngoài thiết kế chế tạo. Đặc biệt là hạng mục có phân thiết bị cơ khí thuỷ
công chiếm một tỷ trọng lớn trong tổng khối lượng công trình thuỷ điện. Hơn
nữa hiện nay các nhà máy cơ khí trong nước có khả năng chế tạo và lắp ráp các
kết cấu có khối lượng lớn và kích thước lớn được minh chứng qua các công
trình mà chúng ta chế tạo thuê cho các nhà thầu nước ngoài. V
ấn đề đặt ra cho
các kỹ sư là nắm bắt và làm chủ được công nghệ thiết kế chế tạo các hạng mục
thiết bị. Trong mấy năm qua Viện nghiên cứu Cơ khí đã được chính phủ giao
cho việc tư vấn thiết kế thiết bị cơ khí thuỷ công các công trình thuỷ điện như
Pleikrong, A.Vương, BuônKuop… những thiết bị quan trọng chúng ta vẫn phải
thuê thiết kế, nh
ập khẩu nước ngoài với kinh phí lớn.
Như chúng ta đã biết trong các thiết bị cơ khí thuỷ công thì thiết bị van
cung tại đập tràn là một hạng mục quan trọng vì một sai sót nhỏ trong quá trình
vận hành là có thể làm ảnh hưởng đến cuộc sống của hàng triệu người dân phía
Hạ lưu và độ an toàn của công trình. Để vận hành van cung được chính xác và
an toàn thì việc đo và nhận chỉ thị độ mở van cung là quan trọng. Do đó c
ần xác
lập mối quan hệ giữa độ mở của van cung với yêu cầu các tín hiệu lấy từ
Encorder cần được biểu diễn đơn giản để tăng cường độ chính xác của tính toán.
Đứng trước các vấn đề trên nhóm nghiên cứu đã đề xuất đề tài ”Nghiên
cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị đo độ mở van cung kết nối giám sát và điều
khiển t
ự động”. Đề tài xây dựng một phương pháp rất có hiệu quả cho việc tính
toán độ mở van cung. Từ đó tính toán, thiết kế chế tạo thiết bị đo độ mở van

Cửa van cung là loại được áp dụng khá rộng rãi, nhất là khi cửa tháo có
nhịp lớn hay những nơi cần tháo nước nhanh. Vật liệu làm cửa van thường bằng
thép, khi cửa van không lớn thì có thể làm bằng gỗ.
1.1.2. Các loại van cung:

a)
f)
Hình 1.1: Các loại cửa van cung
a)
b)
c)
f)
e)
d)

4Hình 1.2: Hình ảnh van cung lắp đặt tại thuỷ điện Sê San 4

Cửa van cung là cửa van mà mặt cắt ngang của kết cấu phần động có dạng
hình cung và được liên kết với hai càng. Khi đóng mở cửa van quay xung quanh
trục nằm ngang.
Cửa van hình cung được dùng trong các công trình như đập, cống, âu
thuyền Cửa van cung không dùng trong các trường hợp sau: cửa dẫn nước vào
buồng tuabin trong các nhà máy thuỷ điện trên sông, cửa của các bể áp lực, các
ố

- Chiều cao cửa van H: 15,6m
- Bán kính bản mặt: 16,5m
- Số lượng cửa van: 08
Yêu cầu vận hành với cửa van
- Điều khiển vận hành được cả hai chế độ tự động và bằng tay
- Liên tục hiển thị độ mở
* kế
t cấu chính cửa van cung:
- Bố trí kết cấu khung chính (gồm cả dầm chính và khung càng)
Khung chính được đặt theo phương bán kính của bản mặt. Chiều cao của
khung chính lấy bằng bán kính bản mặt, bán kính của bản mặt phụ thuộc vào
chiều cao h
0
và bề rộng l
0
của lỗ cống, thường chọn R= (1,2-1,5) h
0
. Ngoài ra
cần phải chọn tỷ số r/l
0
càng lớn khi nhịp càng nhỏ.
Các khung chính thường được bố trí theo nguyên tắc chịu tải trọng bằng
nhau.
Cấu tạo của dầm khung chính phụ thuộc vào kích thước của cửa van
(chiều cao và chiều rộng), loại van (trên mặt hay dưới sâu), chế độ khai thác,
điều kiện lắp ghép, chuyên chở và vật liệu dùng chế tạo.

Hình 1.3: Kết cấu cửa van cung
1. khung chính; 2. dầm đứng; 3. dầm biên; 4. gối quay
- Bố trí kết cấu dầm đứng

1.1.5. Thiết bị đo độ mở van cung:
Thiết bị đo và chỉ thị độ mở cửa van cung theo phương pháp thẳng đứng
dùng để đo và chỉ th
ị độ mở cửa van cung gián tiếp thông qua hệ truyền động
cáp, ròng rọc giữa cửa van cung và cột chỉ thị độ mở đặt trên trụ pin.
Trên cột chỉ thị kiểu cơ khí lắp đặt kim và thước đo chỉ thị trực tiếp.
Ngoài ra, trên tang quấn hoặc trên kim cơ khí còn đặt thiết bị đo và chỉ thị điện
để đưa tín hiệu điện về tủ
điều khiển thông qua đó có thể hiện thị vị trí, điều
khiển cửa van cung bằng bộ điều khiển khả trình PLC. Như vậy cột đo và chỉ thị
độ mở cửa van cung ngoài việc chỉ thị trực tiếp độ mở bằng thước đo cơ khí, nó
còn có khả năng chỉ thị độ mở thông qua bộ hiển thị tại các tủ đ
iều khiển tại chỗ
và từ xa.

7
Dưới đây là kết cấu của cửa van cung và cơ cấu chỉ thị độ mở cửa van
q
h
O
1

Hình 1.4: Bố trí thiết bị đo độ mở van cung
Trong đó:
O : tâm quay của cửa van cung
O1: tâm quay của xy lanh
M: tâm quay của tang quấn của cơ cấu chỉ thị độ mở
h: độ mở tức thời của cửa van cung so với phương nằm ngang tại cao
trình ngưỡng đáy tính theo độ cao.
α: độ mở tức thời của cửa van cung mở so với phương ngang tính theo

Ukaina…thường cung cấp các thiết bị đo độ mở van cung đã tích hợp sẵn không
theo tiêu chuẩn chung cả về
kết cấu lẫn phần mềm điều khiển, điều này gây rất
nhiều khó khăn, tốn kém cho việc đào tạo đội ngũ vận hành, bảo dưỡng và sửa
chữa thiết bị tại các nhà máy thuỷ điện.
Dưới đây là một số hình ảnh nguyên lý mà các nhà cung cấp nước ngoài
cung cấp cho thiết bị đo độ mở van cung.
Thiết bị đo độ mở
van cung dựa trên nguyên lý cơ bản như: quang học, chất
lỏng điện phân, hoặc công nghệ 3D MEMS.
1.2.1. Cảm biến đo góc loại quang học: Nguyên lý đo giống encoder giá
trị tuyệt đối. Cảm biến bao gồm một đĩa quang có vạch mã quay nhanh một bộ
đọc quang. Các giá trị vạch là loại giá trị tuyệt đối, loại này có độ phân giải đến
12bit. Hình 1.5: Cảm biến đo góc loại quang học

9

1.2.2. Cảm biến đo góc sử dụng chất lỏng điện ly: Có nguyên lý cầu
cân bằng. Điện trở của chất lỏng được đo giữa các cực đặt trên một bán cầu khi
quay sẽ cho các trị số tỷ lệ với góc cần đo. Một mạch điện tử chuyển tín hiệu
thành dòng điện 4 20mA.

Hình 1.6: Cảm biến đo góc sử dụng chất lỏng Hình 1.7: Cảm biến đo góc sử dụng cảm biến chất lỏng do NARIME tích hợp


1.4. Đối tượng, phạm vi, mục tiêu và nội dung nghiên cứu.
1.4.1. Đối tượng, phạm vi:
- Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị đo độ mở van cung - Đập tràn của
nhà máy thuỷ điện Sê San 4.
1.4.2. Mục tiêu của đề tài:
- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị đo độ mở van cung kết nối và
giám sát điều khiển tự động.
- Chế
tạo thiết bị điều đo độ mở van cung trên cơ sở máy móc và thiết bị
trong nước.
- Áp dụng chạy khảo nghiệm và hoàn thiện các thiết kế.
1.4.3. Nội dung nghiên cứu:
- Nghiên cứu tình hình sử dụng các thiết bị đo và giám sát độ mở van
cung.
- Nghiên cứu giải pháp, phần mềm kết nối và giám sát thiết bị đo độ mở
van cung từ đó đưa ra bộ bản v
ẽ chế tạo kèm theo các chương trình phần mềm
điều khiển.
- Thiết kế, chế tạo 01 loại bộ thiết bị đo độ mở van cung với sai số độ mở
cửa van ≤0,3%.
- Chạy khảo nghiệm đề tài tại các nhà máy thuỷ điện Sê San 4.
- Báo cáo đánh giá kết quả thực tiễn và tổng kết đề tài.
1.5. Kết luận chương 1.
Trong chuyên đề này nhóm đề tài đã giải quyết được các vấn đề sau:
- Tìm hiểu tình hình nghiên cứu thiết kế ứng dụng c¸c thiÕt bÞ ®o vµ ®iÒu
khiÓn cho c¸c lo¹i van cung trªn thÕ giíi vµ trong n−íc.
- Xây dựng lý thuyết tổng quan về van cung và thiết bị hiển thị đo độ mở
van cung.
- Đưa ra nội dung, phạm vị nghiên cứu và mục tiêu của đề tài.



Hình 2.3 : Sơ đồ đầu nối cáp
Khi van cung chuyển động lên xuống làm đĩa tròn Ф900 gắn trên gối
quay quay theo. Qua hệ thống cáp và puly dẫn hướng làm Tang cuấn cáp quay
theo, đồng thời cũng làm đối trọng chuyển động lên xuống.
Tại đầu trục tang có gắn 01 Encoder phát xung, tín hiệu ra được nối với
thiết bị xử lý tại t
ủ điều khiển trung tâm nhà máy. Sau khi xử lý bằng các phần
mềm chuyên dùng, bộ xử lý đưa ra màn hình hiển thị độ mở của van cung.
Ø60
Ø60
Ø100
Ø900

14
Trên cụm đối trọng có gắn cơ cấu tác động vào công tắc hạn vị trên và
hạn vị dưới, chức năng của hạn vị là giới hạn độ mở của van cung.
2.2. Tính toán độ mở cửa van cung
2.2.1. Phân tích mối quan hệ giữa các thông số
Dựa trên hình 2.3 ta có:
Chiều dài tức thời của dây cáp được quấn vào tang là :

Như vậy, chiều dài dây cáp được quấn vào tang q hoàn toàn xác định
được thông qua giá trị số xung Z của encoder. Biết được số xung của encoder sẽ
suy ra được chiều dài cáp được quấn vào tang tương ứng.
Cũng theo hình 2.3 ta có: Độ mở cửa van cung tính theo độ cao h hay tính
theo góc mở α sẽ là một hàm chỉ phụ
thuộc vào chiều dài cáp tính từ đầu đĩa
quay gắn trên gối quay van cung đến tang quấn q’, hay phụ thuộc vào chiều dài
cáp được quấn vào tang q. Khi đó ta có:
h = f
2
(q) (4)
hay a = f
2
'
(q) (4’)

15
(vì dễ dàng có thể tính được mối liên hệ giữa a và h: h = Ho-R*sin(ao- a) (5)
Trong đó:
- Ho, R, ao: Thông số xác định kết cấu của van
Trong đó, hàm f
2
và f
2
'
là các hàm phi tuyến và có thể tìm được thông qua
việc giải bài toán hình học lập ra dựa trên kết cấu của hệ thống. Tuy nhiên, việc
giải để tìm ra các hàm số này chính xác đôi khi cũng rất khó khăn và mất nhiều
công sức đối với hệ có kết cấu cơ khí hình học phức tạp. Việc làm này còn đòi
hỏi phải xác định được các thông số của hệ thống một cách chính xác, trong một

2.2.3. Tính toán độ mở cửa van cung theo phương pháp nội suy tuyến
tính
Theo bản kết cấu cửa van cung và cơ cấu chỉ thị độ mở cửa van thì biên
độ chuyển động quay của cửa van cung xung quay gối quay O là 53
o
, giá trị góc
mở a biến thiên từ -8
o
÷ 45
o
. Thực hiện phép xoay theo chiều thuận chiều kim
đồng hồ quanh điểm tâm là tâm của gối xoay với bước xoay là 3
o
ta sẽ có 18
điểm giá trị lấy mẫu, và hiệu giá của 2 điểm liền kề là 3
o
.Trong khoảng 3
o
thì
có thể coi xấp xỉ dây cung trùng với cung và có thể áp dụng phương pháp nội
suy tuyến tính. Theo lý thuyết của phương pháp nội suy tuyến tính thì điểm chia
càng nhiều thì kết quả tính toán càng chính xác, nhưng kéo theo nó là khối
lượng tính toán sẽ lớn hơn. Do đó, để thỏa mãn giữa độ chính xác của phép tính
và khả năng đáp ứng của bộ điều khiển ta lấy 18 điểm chia. Tiến hành lấy kết
quả th
ực nghiệm thu được trong từng phép quay ta được bảng giá trị các thông
số dưới đây:
Bảng 2.1: Bảng giá trị các thông số hệ thống nội suy tuyên tính
i q[i](mm) q’[i](mm) a[i](degree) h[i](mm)
1 0 8790 -8 0

nghiệm trên bản vẽ ở lần quay thứ i của cửa van cung.
Khi đó, ứng với một giá trị q tại một thời điểm bất kỳ t
0
nào đó (giá trị này
hoàn toàn xác định được tại một thời điểm bất kỳ theo phương trình(3)) trong đó
q(t
0
)∈[ q[i],q[i+1]] thì theo phương pháp nội suy tuyến tính ta sẽ tính được giá
trị độ mở cửa h(t
0
) theo công thức:
h(t
0
) = h[i]+(q(t
0
)-q[i])*(h[i+1]-h[i])/(q[i+1]-q[i]) (8)
2.2.4. Tính toán độ mở cửa van cung theo phương pháp lập đa thức
nội suy
Dựa trên các số liệu thực nghiệm về mối quan hệ của q và h ta lập được
mà ta thu được qua phép quay van cung quanh trục 0 với góc quay là 1
0
ta được
bảng dữ liệu sau đây:
Bảng 2.1: Bảng giá trị các thông số hệ thống đa thức nội suy
i q[i](mm) q’[i](mm) a[i](degree) h[i](mm)
0 0 8790 -8 0

18
1 61 8729 -7 203
2 123 8667 -6 407

33 2110 6680 25 7478
34 2176 6614 26 7698
35 2241 6549 27 7918
36 2307 6483 28 8137
37 2373 6417 29 8355
38 2439 6351 30 8572
39 2505 6285 31 8789
40 2571 6219 32 9004
41 2636 6154 33 9218
42 2703 6087 34 9432

19
43 2768 6022 35 9643
44 2833 5957 36 9854
45 2899 5891 37 10064
46 2965 5825 38 10272
47 3031 5759 39 10478
48 3097 5693 40 10683
49 3162 5628 41 10887
50 3228 5562 42 11088
51 3293 5497 43 11288
52 3358 5432 44 11487
53 3423 5367 45 11683
Dựa vào bảng giá trị trên ta lập được đa thức nội suy biểu diễn mối quan
hệ giữa q và h nhờ sự hỗ trợ của phần mềm Matlab. Dưới đây là kết quả thu
được từ phần mềm này: 20
2.2.5. Tính toán độ mở van cung theo khai triển Taylor:

β
α
Hình 2.6: Mô hình tính toán
h = L-Rcos(β+α); β (radian) (2-1)
Ta xấp xỉ hàm cosinus nhờ khai triển Taylor (xem thí dụ [1]). Ở đây
xem α là biến và h làm hàm.
Như đã biết công thức khai triển Taylor của hàm f(x) tại một giá trị của
biến x, ví dụ tại x = x
0
sẽ có dạng.
(1)
21
00 0
00 0 0
'( ) ''( ) ( )
() ( ) ( ) ( ) ( ) ()
1! 2! ( 1)!
n
n
n
fx fx f x
f
xfx xx xx xx Rx
n

0
(())
() ( )
!
n
n
n
fx xx
R
xxx
n
θ
+−
=−
(0<
θ
<1) (2-4)
Số dư trong công thức Taylor cũng có thể viết trong Peano, khi chú ý
rằng:

() ()
00 0
(()) ()()
nn
f
xxxfxax
θ
+− = + (2-5)
Trong đó: α(x) → 0 khi x →x
0

2! 2
k
k
ha H R c k a
k
βπ
∞
=
=− +
∑
(2-7)
Từ công thức trên ta có thể xây dựng công thức tính toán độ mở van cung
theo góc mở van cung với một xấp xỉ tuỳ ý. Với r là số hạng đầu ta có:

22

2
1
1
() os( )
2! 2
r
k
k
ha H R c k a
k
π
β
=
=− +


(1)
1
(1)!
rr
RR
r
α
+
=≤
+
(2-12)
Biểu thức (2-9) có thể được viết trong dạng sau:

(1) (2)
2(21)
111
11
() [ (1) ] [ (1) ]
(2 )! (2 1)!
pp
pp
pp
r
pp
aa
hLO L
pp
αα
++

(1)
(2 1 1)!
p
rp
RO
p
α
+
+
=−
+
(2-15)
Để minh hoạ sẽ khảo sát các thí dụ cụ thể sau:
Thí dụ 1: hãy tính độ mở van cung với mười số hạng đầu, tức r=10. Trong
trường hợp này r chắn, ta dùng (2-11) nó cho ta.
p1=0,5r-1 =5-1=4, p2=5.
Từ đây công thức (2-14) ta tính được:
11
(10)
11!
RL
α
=−
3579 246810
(10)
()( )
3! 5! 7! 9! 2! 4! 6! 8! 10!
hL O
α
ααα ααααα