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


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 

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


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)

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

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

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

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 3.6

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



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.

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

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,

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.

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


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


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