Bộ giáo dục và đào tạo Bộ quốc phòng
Học viện kỹ thuật quân sự
---------------&--------------- Phạm Văn ĐA Xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị
cơ khí thuỷ công cho các nh máy
thuỷ điện trên cơ sở tích hợp công nghệ
v phơng pháp hiện đại
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Hà nội- năm 2006
Bộ giáo dục và đào tạo Bộ quốc phòng
Học viện kỹ thuật quân sự
---------------&--------------- Phạm Văn ĐA
Ngày giao đề tài luận văn: 30-03-2006
Ngày hoàn thành luận văn:28-12-2006
Ngời thực hiện:
Họ và tên: Phạm Văn Đa
Lớp: Tự động hoá Khoá: K15
Hệ không tập trung
Cán bộ hớng dẫn:
Họ và tên: Nguyễn Ngọc Ho Cấp bậc: Đại tá
Học hàm, học vị: GVC, TS Đơn vị công tác: HVKTQS
Hà nội- năm 2006
Bộ giáo dục và đào tạo Bộ quốc phòng
Học viện kỹ thuật quân sự
------------------
&-----------------
bảng các ký hiệu
PLC
Bộ điều khiển khả trình (Programmable logic controller)
STEP7 Chơng trình lập trình điều khiển cho PLC họ Siemens
WINCC Chơng 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)
1.1 Khái quát về hệ thống điều khiển thiết bị thuỷ công nhà máy
thuỷ điện
3
1.1.1 Hệ thống điều khiển các cửa van cung đập tràn 4
1.1.2 Hệ thống điều khiển các cửa nhận nớc 8
1.1.3 Các thiết bị đo lờng chính trong hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ công 11
1.1.4 Hệ thống thuỷ lực, điện và điều khiển 17
1.2 Tóm tắt về sự phát triển công nghệ và phơng pháp điều khiển
hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ công
17
1.2.1 Hệ thống điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công trên Thế giới 17
1.2.2 Tình hình nghiên cứu, tích hợp hệ thống điều khiển thiết bị cơ khí
thuỷ công trong nớc
21
1.2.3 Giải pháp cho sản xuất hệ thống điều khiển trong nớc 23
1.3 Đặt vấn đề nghiên cứu
23
1.4 Kết luận chơng 1
24
Chơng 2: Lựa chọn giải pháp tích hợp hệ thống
26
2.1 Cơ sở tính toán, thiết kế chung
26
2.1.1 Sơ đồ khối chức năng trạm điều khiển tại chỗ 26
3.2.1 Thuật toán cho các trạm điều khiển tại chỗ 73
3.2.2 Thuật toán và liên động cho trạm điều khiển từ xa 75
3.3 Lập trình điều khiển cho các cửa van cung đập tràn
77
3.3.1 Chơng trình điều khiển trạm tại chỗ 77
3.3.2 Chơng trình điều khiển trạm từ xa 82
3.4 Thiết kế giao diện giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu
(Sử dụng phần mềm WinCC V6.0 SP2 của Siemens)
90
3.4.1 Thiết kế các giao diện giám sát và điều khiển 90
3.4.2 Thiết kế các trang trợ giúp (help) 94
3.4.3 Thiết kế các giao diện thu thập dữ liệu, in ấn báo cáo 97
3.5 Kết luận chơng 3
100
Kết luận chung
101
Danh mục công trình của tác giả
102
Tài liệu tham khảo
103
Phụ lục
1 Các hình ảnh về hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ công TĐ AVơng
2 Bản vẽ thiết kế cơ bản trạm điều khiển tại chỗ
3 Bản vẽ thiết kế cơ bản trạm điều khiển từ xa
Tính công suất tiêu thụ DC của hệ PLC 46
B 2.5
Bảng kê yêu cầu thiết bị giao diện điều khiển
49
B 2.6
Công suất tiêu thụ của các thiết bị động lực
50
B 2.7
Tính toán thiết bị PLC điều khiển của trạm tại chỗ
51
B 2.8
Tính công suất tiêu thụ nguồn DC trạm tại chỗ (W) 53
B 2.9
Tính chọn thiết bị PLC trạm điều khiển từ xa
54
B 2.10
Yêu cầu bộ nhớ chơng trình và thời gian đáp ứng của
PLC tại trạm điều khiển từ xa.
54
B 2.11
Tính công suất tiêu thụ nguồn DC trạm từ xa (W) 55
H 2.2 Sơ đồ khối trạm điều khiển tại chỗ cho hệ thống điều khiển thuỷ
lực nâng hạ cửa van hệ thống cơ khí thuỷ công
30
H 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
31
H 2.4 Góc dịch chuyển và lực tác dụng của hệ van cung 33
H 2.5
Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển cửa van cung
34
H 2.6
Sơ đồ cấu trúc điều khiển tiêu chuẩn
35
H 2.7
Đặc tính thời gian- dòng điện của rơ le nhiệt và động cơ điện
39
H 2.8
Bố trí đèn cảnh báo và các công tắc vận hành trạm ĐK tại chỗ
42
H 2.9
Lực nâng, hạ của xi lanh thuỷ lực và hớng tác dụng của dầu
thuỷ lực
43
H 2.10
Giao diện chọn phơng thức kết nối với PLC họ S7-200
63
H 3.1
Sơ đồ thuật toán hoạt động của trạm điều khiển tại chỗ
74
H 3.2
Sơ đồ thuật toán hoạt động của trạm điều khiển từ xa
76
H 3.3
Gọi Subroutine đếm xung và truyền dữ liệu vào bộ đếm
77
H 3.4
Gọi hàm HSC0 đếm xung từ Encoder
78
H 3.5
Nhấn F1, tìm các tham số của bộ đếm HSC
79
H 3.6
Đặc tính xả tràn 4 cấp độ
80
H 3.7
Cấu hình kết nối và điều khiển hệ thống
83
H 3.8
Cấu hình chi tiết phần cứng của thiết bị PLC trạm điều khiển
từ xa
84
H 3.9
Thiết lập cấu hình phần cứng trạm điều khiển từ xa
85
H 3.10
H 3.20
Liên kết các file *.htm thành file *.chm dùng HTML Help
Workshop
96
H 3.21
Kết quả chạy file help.exe liên kết đến các trang help
96
H 3.22
Thiết kế bảng thu thập và xử lý dữ liệu
97
H 3.23
Thiết kế trang báo cáo cho các cửa riêng biệt
98
H 3.24
Thiết kế trang giao diện báo cáo chung cho hệ thống
99
12
- Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài còn đợc khẳng định trong quyết định
phê duyệt danh mục các nhiệm vụ khoa học và công nghệ thuộc Dự án khoa học và
công nghệ số 2512/QĐ-BKHCN ngày 22/9/05 của Bộ trởng Bộ Khoa học và
Công nghệ. Đề tài số 4 có tên là "Nghiên cứu, thiết kế, tích hợp, lắp đặt và vận
hành hệ thống điều khiển tổ máy turbin thuỷ lực và nhà máy thuỷ điện Đaskrông"
do Viện nghiên cứu Cơ khí - Bộ Công nghiệp chủ trì. Trong đó hệ điều khiển các
thiết bị cơ khí thuỷ công là một phần trong nội dung thực hiện của đề tài.
2. Mục đích và nhiệm vụ của luận văn
- Làm chủ đợc các cơ sở lý thuyết cũng nh thực tiễn cho phép thiết kế, tích
hợp và lập trình hệ thống điều khiển các thiết bị cơ khí thuỷ công cho các nhà máy
thuỷ điện.
- Xây dựng, thiết lập đợc các thuật toán điều khiển và hệ thống điều khiển các
thiết bị cơ khí thuỷ công trên cơ sở những phần cứng và phần mềm cơ sở có sẵn tại
thị trờng Việt nam.
- Vận dụng cho xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công nhà máy
thuỷ điện A-Vơng - Đà Nẵng Việt Nam.
- Nâng cao năng lực thiết kế tích hợp hệ thống điều khiển cho các nhà máy thủy
điện nói riêng và các hệ thống tự động hoá các dây chuyền sản xuất công nghiệp
nói chung.
3. Phơng pháp nghiên cứu và cấu trúc luận văn
Để đạt đợc những mục tiêu đề ra, việc nghiên cứu khái quát kinh nghiệm từ
những công trình thuỷ điện trong và ngoài nớc để xây dựng cơ sở lý thuyết và tích
hợp, chế tạo với điều kiện cơ sở, thiết bị trong nớc hiện nay là phơng pháp có hiệu
quả và tin cậy nhất. Vì vậy nội dung luận văn đợc chia thành ba chơng chính,
chơng 1 nêu những nghiên cứu khái quát về hệ thống cơ khí thuỷ công trong và
toàn, tin cậy và hiệu quả của toàn bộ hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ công phụ thuộc
phần lớn vào sự an toàn, tin cậy của hệ thống điều khiển.
Tại hầu hết các công trình thuỷ điện hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ công luôn bao
gồm hệ thống các cửa nhận nớc 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 lờng, cảnh báo và bảo vệ.
4 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 nớc, cửa đập tràn và hệ thống
các thiết bị đo lờng.
1.1.1
Hệ thống điều khiển các cửa van cung đập tràn
Hệ thống các cửa van cung đập tràn có chức năng tích nớc, xả nớc và điều tiết
mức nớc trong hồ chứa cho công trình thuỷ điện. Số lợng các cửa xả, lu lợng xả
cũng nh các thông số về kích thớc 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 nớc hiện nay đều sử dụng các cửa van xả tràn có dạng vòng cung
và đợc 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.
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 thờng sử dụng là hệ thống có 02 xi lanh thuỷ lực nâng hạ đồng
thời hai bên sờn 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 vợt cửa van cung nhỏ hơn 10 mét. Trong
trờng 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
tợng xô lệch trong quá trình nâng hạ cửa. H 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 đợc trang bị thêm một bơm thuỷ lực vận hành bằng tay và
một bộ lọc dầu di động. Mỗi cửa van cung thờng đ
ợc trang bị 02 chốt treo van
6 cung 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.
6.6
13.3 13.4
12.6
6.7
12.12
7.9
6.8
MD-2.2
P=19 MPa
P=19,5 MPa
U
13.6
Rp1.2
14.4
7.5
15.3
14.3
P
16.2
5.5
15.4
YB1
St.x
Ix
St
Cột chỉ thị độ mở
17.2
MởĐóng
18
S1
4.5
U
Rf1
P=0,5 MPa
Rf2
U
5.6
P
1.7
P
5.2
5.3
MD-1-1
8.5
Dy1 1/2"
M3
N= 3,5 Kw
1.5
1.4
n= 1450 V/Ph
Trạm lọc
FU
3.3
1.6
2.3
12.7
6.3
Dy1"
13.5
12.2
DSHG-06
b
BA
T2
B
T
A
P
11.1
Sol.a
T2
8.3
Sol.b
8.4
MởĐóng
17.1
YB1
13.6
P=1MPa
P=2,18 MPa
V=3000 Dm3
1.2 1.1
YB1
B
A
10.2
P=19,5 MPa
Pmax=20 MPa
2.4
P=25 MPa
3.1 2.2
M2
3.2 4.3
q= 76 Cc
P= 250Bar
8.2
T
9.1
T1
T
7.2
13.8
U
P=3 MPa
Dy1 1/4"
Dy1"
Dy1/2"
7 trong mỗi dự án, số các tín hiệu và phơng thức đòi hỏi vận hành từ hệ thống điều
khiển nhóm. Thực chất của việc xây dựng hệ thống điều khiển nhóm (điều khiển từ
xa) là việc tích hợp một hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA).
Việc xây dựng hệ thống điều khiển các cửa van cung đập tràn ngoài việc phải
đáp ứng việc điều khiển theo điểm đặt của ngời vận hành, còn phải giám sát, tính
toán giá trị mức nớc trong hồ chứa và điều khiển tự động nâng hạ các cửa van một
cách tự động theo một chu trình, thuật toán đặt sẵn.
Dầu
thuỷ lực
Xung báo vị trí và các
công tắc hành trình
Trạm điều khiển từ xa
Tín hiệu
đo lừơng
Tín hiệu
giao tiếp,
điều khiển
Thiết bị đo mức nứơc
Hình 1.3: Sơ đồ tổng thể hệ thống điều khiển cửa van cung
8 tính toán ra chiều cao xả tại một thời điểm nào đó cho mỗi cửa sẽ phụ thuộc vào tốc
độ tăng hoặc giảm của giá trị mức nớc trong hồ và điều chỉnh độ mở cửa theo các
tham số điều khiển tự động của bộ PID. H 1.3 chỉ ra một sơ đồ khái quát các thiết bị
và sự liên hệ của hệ thống điều khiển cửa van cung xả tràn.
1.1.2
Hệ thống điều khiển các cửa nhận nớc
Các cửa nhận nớc trong các công trình thuỷ điện thờng có chiều sâu làm việc
thấp hơn so với cửa xả tràn, áp lực nớc tác động lên cửa khi nhà máy hoạt động là
không có (khi tổ máy phát điện hoạt động thì cửa nhận nớc phải mở để nhận nớc
vào đờng ống áp lực). Do đó kết cấu cơ khí của van vận hành cửa nhận nớc
thờng là dạng cửa phẳng. H 1.4 thể hiện kết cấu cơ khí một cửa van phẳng vận
hành cửa nhận nớc.
lớn, thì ngời ta thờng chia ra thành nhiều cửa nhỏ sao cho lu lợng tính toán vẫn
đảm bảo mà không phải nâng hạ những cửa van quá lớn. Do vậy trọng lợng của các
cửa van vận hành này chỉ dao động từ 200 tấn đến 300 tấn và chiều cao vận hành
cũng thờng từ 7 đến 10 mét.
Hệ thống điều khiển các cửa nhận nớc cũng luôn cần giám sát trạng thái đóng
hoặc mở cửa và cũng đòi hỏi phải điều khiển và giám sát đợc từ hệ thống điều
khiển nhóm (điều khiển từ xa) và liên động điều khiển, giám sát đợc chúng từ
trong phòng điều khiển trung tâm nhà máy theo yêu cầu phát điện sản xuất. Cũng
nh hệ thống điều khiển van cung đập tràn, hệ thống điều khiển nâng hạ các cửa
nhận nớc cũng đòi hỏi việc điều khiển và giám sát trạng thái của 02 chốt treo cơ
khí cho mỗi cửa van.
Trong trờng hợp hệ thống nâng hạ cửa van phẳng sử dụng tời điện hay cầu trục
chân dê thì việc quan trọng trong hệ thống điều khiển là đảm bảo công suất nâng hạ
và giám sát bảo vệ khi cửa đã nâng hoặc đóng đến vị trí giới hạn. Điều hệ trọng nhất
đối với hệ thống điều khiển này là phải đảm bảo khả năng đóng đ
ợc cửa van trong
mọi trờng hợp để đảm bảo an toàn cho ngời và tổ máy khi có sự cố bên trong nhà
máy.
Khi sử dụng hệ thống nâng hạ cửa van phẳng cửa nhận nớc bằng xi lanh thuỷ
lực, thì thờng tại cửa nhận nớc ngời ta chỉ sử dụng một xi lanh thuỷ lực kết nối
với móc nâng tại điểm giữa cửa van. Trong trờng này, hệ thống điều khiển cửa
10 nhận nớc cũng giống nh hệ thống điều khiển van cung đập tràn bằng thuỷ lực và
sơ đồ khái quát hệ thống điều khiển cửa nhận nớc cũng nh H 1.3.
U? NG ?NG I TRONG RNH Bấ Tễ NG
TR? M NGU? N TH? Y L? C
C? M XI LANH C? A 1
XILANH C? A 1
U
LL
U
LH
L
L
U
TH2
U
TH1
T
T
PL
P
U
PH
P
U
Cột chỉ thị độ mở
U
S
S
U
LS1
Đóng Mở
LS2
Chúng ta có thể khái quát các thiết bị đo lờng trong hệ thống thiết bị cơ khí
thuỷ công thành 03 nhóm thiết bị đo lờng chính theo tính năng của chúng nh sau:
- Nhóm 1: Các thiết bị giám sát trạng thái vị trí dạng ON/OFF nh các công tắc
hành trình, các công tắc áp suất, các công tắc giới hạn nhiệt độ, các công tắc báo
mức. Trong hệ thống các thiết bị cơ khí thuỷ công sử dụng rất nhiều các thiết bị
giám sát dạng này. Kiểu dáng của chúng hết sức đa dạng tuỳ vào kết cấu cơ khí và
vị trí gá lắp chúng. H 1.6 chỉ ra một số kiểu dáng của các thiết bị giám sát dạng này.
Tuy nhiên xét về phần điện điều khiển, thì chúng hoàn toàn giống nhau là đa các
12 tín hiệu dạng digital (ON/OFF) về cho hệ thống điều khiển và giám sát bảo vệ hệ
thống.
Thông thờng các thiết bị giám sát này có hai cặp tiếp điểm một thờng đóng
(NC) và một thờng mở (NO) nh thể hiện trên H 1.7 sau:
Hai là phơng pháp đo độ mở cửa van cung, van phẳng dùng thiết bị phát xung
(encoder). Thiết bị này rất thích hợp cho việc dùng để giám sát độ mở của các cửa
van cung cũng nh các cửa van phẳng. Dùng encoder chúng ta có thể đo trực tiếp độ
mở của các cửa van một cách chính xác vì các encoder hiện nay có độ phân giải rất
cao trong khi độ dịch chuyển trên toàn dải của van là rất lớn (7-10 mét), điều này
cho phép chúng ta có thể giám sát và hiển thị độ mở của các cửa van này cỡ mm.
Một u điểm của encoder là việc trả về các tín hiệu dạng xung cho bộ điều khiển,
nên tránh đợc nhiều sai số. Ngày nay nhờ công nghệ chế tạo thiết bị phát triển mà
các hãng sản xuất đã cho ra thị trờng những encoder cho phép kết nối trực tiếp
bằng các bus truyền thông công nghiệp nh profibus, modbus ... đến bộ điều khiển
và nh vậy có thể loại bỏ hoàn toàn các nhiễu công nghiệp. Một u điểm quan trọng
Hình 1.8:
Thiết bị đo góc và phát xung Encoder
14 nữa là việc dùng encoder cho phép chúng ta chế tạo các hệ thống điều khiển cửa van
cung cũng nh cửa van phẳng cho các công trình thuỷ điện thành dạng môđun
chuẩn. H 1.9 chỉ ra sơ đồ dạng xung ra của một bộ encoder.
Xung B
Xung Z
Copyright: Tài liệu đại học ©