BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN QUỐC HƯNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA
TRONG ĐIỀU KHIỂN TƯỚI TIÊU THỦY LỢI VỚI GIẢI
PHÁP THU THẬP DỮ LIỆU TỪ XA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, NĂM 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN QUỐC HƯNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA
TRONG ĐIỀU KHIỂN TƯỚI TIÊU THỦY LỢI VỚI GIẢI
PHÁP THU THẬP DỮ LIỆU TỪ XA

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60.52.02.02

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. VŨ MINH QUANG

khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của
quý thầy cô và các bạn cùng quan tâm.
Cuối cùng em xin gửi lời chúc sức khỏe và thành đạt tới tất cả quý
thầy cô, quý đồng nghiệp cùng toàn thể gia đình và bạn bè.
Xin chân thành cảm ơn!

ii


MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.....................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU......................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT................................................................................ix
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................x
1. Tính cấp thiết của Đề tài:.........................................................................................x
2. Mục đích của Đề tài:...............................................................................................xi
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:............................................................xi
4. Kết quả dự kiến đạt được: ......................................................................................xi
CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU THỦY LỢI.............................1
1.1 Khái niệm hệ thống tưới – tiêu thủy lợi ................................................................1
1.1.1 Khái niệm hệ thống tưới - tiêu thủy lợi ..........................................................1
1.1.2 Phân loại trạm bơm tiêu: ................................................................................1
1.1.3 Đặc điểm trạm bơm tiêu: ................................................................................1
1.2 Sơ đồ phổ biến của một hệ thống tưới – tiêu thủy lợi ...........................................2
1.2.1 Nguồn nước ....................................................................................................2
1.2.2 Bể hút và nguồn hút........................................................................................3
1.2.3 Trạm bơm .......................................................................................................3
1.2.4 Máy bơm.........................................................................................................4
1.2.5 Đặc điểm của máy bơm nước .........................................................................6

4.2.2 Các dạng MODBUS phổ biến hiện nay .......................................................48
4.2.3 Truyền thông RS485.....................................................................................50
4.3 Profibus................................................................................................................53
4.4 Profinet ................................................................................................................56
4.3.1 Lớp thời gian thực ........................................................................................56
4.3.2 Các chế độ PROFINET ................................................................................57
4.5 Module truyền thông GPRS/GSM CP1242-7 PLC S7 – 1200/1500 ..................59
4.5.1. Ứng dụng Telecontrol..................................................................................59
4.5.2 Cấu hình và chế độ làm việc.........................................................................60
CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT .....................65
5.1 Tổng quan về giao diện giám sát HMI ................................................................65
5.2 Giới thiệu về WinCC Professional: .....................................................................69
5.3 Thiết kế giao diện HMI .......................................................................................70
5.3.1 Gán biến........................................................................................................70
5.3.2 Thiết kế giao diện .........................................................................................72
CHƯƠNG 6 MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM.......................................................82
4


6.1 Giới thiệu về chương trình mô phỏng PLCSIM..................................................82
6.2 Mô phỏng chương trình hệ thống ........................................................................84
6.3 Mô phỏng giao diện HMI ....................................................................................86
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................89
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................91
PHỤ LỤC ......................................................................................................................92

5


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 4.14: Mạng truyền thông không dây kết nối PLC với PC ....................................59
Hình 4.15: Ứng dụng Telecontrol .................................................................................60
Hình 4.16: Sơ đồ trình bày các thành phần quan trọng module truyền thông PRS/GSM
CP1242-7
...............................................................................................................61
Hình 4.17: Quy trình làm việc của module CP1242-7 ..................................................61
Hình 4.18: Kết nối MODBUS chủ - tớ..........................................................................64
Hình 5.1: Cấu trúc hệ thống SCADA ............................................................................67
Hình 5.2: Chọn màn hình HMI......................................................................................73
Hình 5.3: Chọn Graphics ...............................................................................................73
6


Hình 5.4: Đổi màu Graphics..........................................................................................74
Hình 5.5: Chọn các graphics trong Categories..............................................................74
Hình 5.6: Tạo nút nhấn và hiển thị mức nước...............................................................75
Hình 5.7: Màn hình HMI hoàn chỉnh ............................................................................75
Hình 6.1: Cửa sổ chương trình PLCSIM.......................................................................82
Hình 6.2: Kết nối PLCSIM............................................................................................83
Hình 6.3: Tải chương trình vào PLC .............................................................................83
Hình 6.4: Ví dụ thêm biến mô phỏng ............................................................................84

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2-1: Mô hình công nghệ SCADA ........................................................................20
Bảng 3.1: So sánh các dòng CPU của S7-1200.............................................................27
Bảng 3.2: Các Module mở rộng ....................................................................................28
Bảng 3.3: Khai báo biến ngõ vào/ra ..............................................................................41

9


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của Đề tài:
Thủy lợi là một thuật ngữ, tên gọi truyền thống của việc nghiên cứu khoa học công
nghệ, đánh giá, khai thác sử dụng, bảo vệ nguồn tài nguyên nước và môi trường,
phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai.
Cụ thể, thủy lợi là việc sử dụng nước để tưới cho các vùng đất khô nhằm hỗ trợ cho
cây trồng phát triển hoặc cung cấp nước tưới cho cây trồng vào những thời điểm có
lượng mưa không đủ cung cấp. Ngoài ra, thủy lợi cũng có một vài ứng dụng khác
trong sản xuất cây trồng, trong đó bao gồm bảo vệ thực vật tránh được sương giá,
khống chế cỏ dại phát triển trên các cánh đồng lúa và giúp chống lại sự cố kết đất.
Thủy lợi thường được nghiên cứu cùng với hệ thống tiêu thoát nước, hệ thống này có
thể là tự nhiên hay nhân tạo để thoát nước mặt hoặc nước dưới đất của một khu vực cụ
thể.
Nước là một yếu tố quan trọng, ảnh hưởng rất lớn đến sự sinh trưởng và phát triển của
cây trồng. Trong sản xuất nông nghiệp, nước trên đồng ruộng luôn thay đổi. Nếu
chúng ta nắm vững quy luật biến đổi của chế độ nước và sử dụng hợp lý các nguồn
nước ở từng vùng thì độ phì của đất ngày càng tang lên hoặc hạn chế đến mức thấp
nhất sự phát triển xấu của đất đai và ngược lại.
Trong tự nhiên nước phân bố không đồng đều cả về không gian và thời gian, không
phù hợp nhu cầu nước của cây trồng. Lượng nước đến (mưa; nước ngầm) quá nhiều
hay quá ít so với lượng nước tiêu hao thì cây trồng bị úng hoặc bị hạn. Vì vậy, điều tiết
chế độ nước của đất phù với nhu cầu nước của cây trồng là một biện pháp kỹ thuật
quan trọng đối với tăng vụ, tăng năng suất cây trồng và nâng cao độ phì nhiêu của đất.
Hiện nay, hệ thống tưới rất nhiều loại như: tưới phun, nhỏ giọt, ngầm, tưới tràn,
vv….chúng ta phải chọn giải pháp điều khiển như thế nào cho phù hợp, trong đó vai
trò điều khiển theo mức nước rất quan trọng. Vấn đề, cánh đồng lúa qui mô lớn, nhiều
kênh mương dài dẫn đến khoảng cách điều khiển xa nên chọn giải pháp truyền tín hiệu

triển của cây trồng; đồng thời hệ thống cũng giúp cho việc tiêu thoát nước hợp lý giúp
cho cây trồng không bị nguy hại do ngập úng.
Hệ thống tưới – tiêu là một trong những cơ sở vật chất hạ tầng của nông nghiệp và
nông thôn. Hệ thống giúp cho mùa màng phát triển ổn định, hạn chế những sự thất
thường của thời tiết và điều kiện tự nhiên liên quan đến nguồn nước, đất và cây trồng.
Hệ thống tưới nước là một tổng thể các bộ phận, các công trình và thiết bị làm nhiệm
vụ lấy nước từ nguồn chuyển và phân phồi nước tới từng khoảnh ruộng cần tưới, đồng
thời khi cần thiết có thể tháo đi lượng nước thừa từ mặt ruộng đến nơi quy định.
1.1.2 Phân loại trạm bơm tiêu:
Trạm bơm tiêu được phân loại như sau:
- Trạm bơm tiêu nước mặt.
- Trạm bơm tiêu nước ngầm.
- Trạm bơm tiêu kết hợp cả nước mặt và nước ngầm.
Thời gian làm việc của các trạm bơm tiêu cũng khác nhau: các trạm bơm tiêu nước lũ
và nước mưa rào làm việc có tính chu kỳ, thời gian ngắn trong năm, còn bơm nước
ngầm thông thường làm việc quanh năm. Ở nước ta hiện nay chủ yếu là tiêu nước mặt
cho cây trồng.
1.1.3 Đặc điểm trạm bơm tiêu:
Trạm bơm tiêu có những đặc điểm sau:
- Lưu lượng nước không đều và rất lớn. Mức độ không đều tùy thuộc vào sự giao
động của nước mặt và nước ngầm.

1


- Làm việc gián đoạn, thời gian trạm không làm việc phụ thuộc vào sức chứa của
dung tích điều tiết và thời gian ngập cho phép của khu vực. Thời gian trạm bơm tiêu
làm việc trong năm tuy ít nhưng rất căng thẳng.
- Cột nước cần bơm thấp nhưng thay đổi liên tục.
- Lưu lượng tính toán của các máy bơm chính trong trạm bơm tiêu được chọn cần

1.2.2 Bể hút và nguồn hút
Bể hút đóng vai trò quan trọng quyết định nhiều đến chất lượng thủy lực của buồng
hút và do đó ảnh hưởng nhiều đến độ bền và chất lượng làm việc của máy bơm. Cho
đến nay hầu hết các trạm bơm lớn vấn đề bể hút và buồng hút vẫn chưa được cải thiện
nhiều, đa số các trạm bơm lớn khi hoạt động hai máy hai đầu vẫn bị thiếu nước, bị
xoáy, máy rung nhiều và chóng hỏng.
Buồng hút có kết cấu khác nhau tùy thuộc vào loại máy khác nhau. Buồng hút của các
loại bơm có lưu lượng lớn phải được đặc biệt chú ý đến chất lượng thủy lực. Người ta
thường bố chí các chóp dẫn dòng ở buồng hút hoặc các vách dấn dòng ở phía cuối
buồng hút để làm nhiệm vụ dẫn dòng và tránh phát sinh hiện tượng xoáy.
1.2.3 Trạm bơm
Máy bơm giữ vai trò chính trong quá trình vận hành khai thác. Mỗi loại bơm thích ứng
với một loại đặc điểm địa hình và có những ưu điểm phù hợp với điều kiện tự nhiên
nếu chọn nhầm sẽ gây tốn kém và không phát huy được hiệu quả.
Đối với một hệ thống tưới – tiêu số máy bơm trong trạm lớn hay nhỏ sẽ làm thay đổi
đáng kể đến chi phí xây dựng, quản lí, vận hành và khai thác.
Theo khuyến cáo số máy bơm trong một trạm ít nhất là từ 4-6 máy. Tuy nhiên điều
này chỉ dựa trên kinh ngiệm, dựa trên thực tế trước đây khi sự phát triển, tiến bộ khoa
học chưa thực sự phát triển. Việc thiết kế một máy bơm còn phải được xem xét dựa
vào khả năng đáp ứng các loại máy bơm của nơi cung cấp.

3


Kênh tưới dài 1 – 2
Km,
▼ + 1m

Cửa
van


V-10

V-11

V-14

Trạm
bơm đầu
nguồn

V-16

Ruộng nho B

Bể hút
trạm
bơm

V-51

Bể xả ▼
+1m
V-19
V-20

V-26

V-22


V-36

V-52

Kênh
tiêu
▼ -0.5m

V-32

E-1

Van tiêu
A1

Van tưới 2

Van tiêu
Van tưới 3

V-38

Ruộng cây măng tây
D
V-44

V-45

V-47


loại chất lỏng cần bơm.

4


Hình 1.2: Máy bơm thủy lợi
Phân loại: Theo nguyên lí tác động của cánh bơm vào dòng nước, máy bơm được chia
theo làm hai nhóm: bơm động học và bơm thể tích.
+ Bơm động học: Trong buồng công tác của máy bơm nước động học, chất lỏng được
nhận năng lượng liên tục từ cánh bơm truyền cho nó suốt từ cửa vào đến cửa ra của
bơm. Loại máy bơm này gồm có những bơm sau:
Bơm xoắn: Chất lỏng qua các rãnh BXCT của máy bơm sẽ nhận được năng lượng để
tạo dòng chảy xoắn và được đẩy khỏi cửa ra BXCT. Người ta dùng máy bơm này chủ
yếu trong công tác hút nước hố thấm, tiêu nước, cứu hỏa...
Bơm cánh quạt (gồm máy bơm nước li tâm, hướng trục, cánh chéo): Trong loại máy
bơm này, các cánh quạt gắn trên bánh xe công tác (BXCT) sẽ truyền trực tiếp năng
lượng lên chất lỏng để đẩy chất lỏng dịch chuyển. Loại bơm này thường có lưu lượng
lớn, cột áp thấp (trong bơm nước gọi cụ thể là cột nước) và hiệu suất tương đối cao, do
vậy thường được dùng trong nông nghiệp và các ngành cấp nước khác
Bơm tia: Dùng một dòng tia chất lỏng hoặc dòng khí bên ngoài có động năng lớn phun
vào buồng công tác của bơm nhờ vậy hút và đẩy chất lỏng. Loại máy bơm này bơm
được lưu lượng nhỏ, thường được dùng để hút nước giếng và dùng trong thi công.


Bơm rung: Cơ cấu công tác của bơm này là pít tông-van giao động qua lại với tầng số
cao gây nên tác động rung cơ học lên dòng chất lỏng để hút đẩy chất lỏng. Loại bơm
này có lưu lượng nhỏ, thường được dùng bơm nước giếng và giếng mỏ.
Bơm khí ép: Loạị máy bơm nước này nhờ tạo hỗn hợp khí và nước có trọng lượng
riêng nhỏ hơn trọng lượng riêng của nước để dâng nước cần bơm lên cao. Loại bơm
này thường dùng để hút nước b n hoặc nước giếng

lỏng kế tiếp tràn vào. Cánh bơm vẫn quay mà nước thì không bơm được. đây là hiện
tượng lọt khí vào ống hút máy bơm ly tâm đang hoạt động. Vì lí do này, người ta dùng
bơm ly tâm chỉ ở những nơi có điều kiện lắp đặt cố định và ống hút của bơm ly tâm
lúc nào cũng phải đầy nước.
1.2.6 Bể xả
Sau trạm bơm là bể xả. Bể xả được nối với trạm bơm theo hai hình thức: bể xả liền nhà
máy hoặc bể xả tách rời nhà máy, hai hình thức bố trí này thì hình thức bể xả liền có
khối lượng và giá thành rẻ hơn. Bể xả xây liền nhà máy chỉ hợp lí khi máy bơm có cột
nước thấp. Trường hợp máy bơm có cột nước cao, mực nước lớn nhất ở bể xả cao hơn
nhiều sàn đặt động cơ thì phải xây dựng bể xả xa nhà máy nối tiếp nhau bằng đường
ống xả với máy bơm.
1.2.7 Ruộng
Là nơi chúng ta phải thiết kế hệ thống trạm bơm tưới tiêu sao cho hợp lí và phải đảm
bảo được những tiêu chí đề ra cho vụ mùa đó cây trồng có đủ nước để phát triển,
không để cây bị ngập úng cũng không để cây trồng bị thiếu nước. Thiết kế hệ thống có
cao trình cao hơn ruộng để khi xả nước tưới và tiêu dễ dàng.
1.3 Vai trò của hệ thống tưới – tiêu thủy lợi
Tự động hóa là xu thế tất yếu trong bối cảnh kinh tế hội nhập. Các hệ thống tự động
hóa trong lĩnh vực Thủy lợi - Thủy điện có vai trò và tỉ trọng đầu tư tăng liên tục trong
những thập niên gần đây trên quy mô toàn thế giới.
Các nước tiên tiến đều đã dày công đầu tư phát triển hệ thống điều khiển, giám sát,
thu thập dữ liệu (SCADA) để hỗ trợ đắc lực cho:


- Quản lí vận hành các công trình và hệ thống thuỷ lợi - thuỷ điện,
- Quản lí vận hành hệ thống cơ sở hạ tầng (nước, điện, ga,...),
- Quản lí lưu vực, quản lí tài nguyên,
- Giám sát môi trường, giám sát chất thải,
Hệ thống SCADA được xây dựng theo mô hình phân cấp, hình 1. Các cấp dưới cùng
(cấp trường) có nhiệm vụ chính là thu thập, lưu giữ, xử lí dữ liệu (tín hiệu), điều khiển,

THỦY LỢI ĐIỂN HÌNH
2.1 Khái niệm về hiện đại hóa hệ thống tưới

Trong tình hình phát triển kinh tế hiện nay, nước không chỉ là nhu cầu thiết yếu
cho nông nghiệp mà còn là yếu tố không thể thiếu đối với nhiều ngành kinh tế
khác. Do vậy vấn đề tiết kiệm nước đang được được đặt ra thành một yêu cầu cấp
bách, đặc biệt đối với nông nghiệp là ngành hàng năm tiêu thụ khối lượng nước rất
lớn thông qua dịch vụ tưới. Có hai giải pháp chủ yếu để tiết kiệm nước. Thứ nhất
cần áp dụng cơ cấu cây trồng và phân bổ mùa vụ hợp lý; sử dụng các loại giống
tiêu thụ ít nước và chịu hạn tốt. Giải pháp thứ hai là cần hoàn chỉnh các hệ
thống tưới theo hướng hiện đại cả về các cơ sở hạ tầng và tổ chức quản lý, tức là
hiện đại hóa hệ thống tưới. Hiện đại hóa thực chất là đầu tư theo chiều sâu bằng
cách áp dụng các biện pháp kỹ thuật và quản lý hiện đại để nâng cao diện tích
được tưới của các hệ thống kênh, cùng với việc thay đổi nhận thức về nước, coi
nước là một loại hàng hóa và tưới là một loại dịch vụ trong sản xuất nông nghiệp.
Đầu tư vào các hệ thống tưới hiện có vừa ít phức tạp về mặt kỹ thuật, yêu cầu
kinh phí không lớn (so với xây dựng mới) nhưng lại có tính ổn định và bền vững
cao. Điều này càng có ý nghĩa hơn vì như đã nói ở trên, ở Việt nam hiện nay, 80%
đất canh tác nông nghiệp đã có các hệ thống tưới nước, các hệ thống này còn kém
hiệu quả.
Hiện đại hóa tưới là một quá trình bao gồm những thay đổi về các khái niệm, cách
tiếp cận, thiết kế và quản lý vận hành liên quan đến những thay đổi về kỹ thuật
và công nghệ, nhằm đáp ứng các yêu cầu về vận hành và bảo trì hệ thống tưới
phục vụ đa mục tiêu. Hội thảo của Tổ chức Nông lương Liên hiệp quốc (FAO) về
hiện đại hoá tưới (Bangkok 1996) đã thống nhất định nghĩa hiện đại hoá tưới như
sau[1]:
“Hiện đại hoá tưới là một quá trình nâng cấp về kỹ thuật và quản lý (khác với khôi
phục đơn thuần) các hệ thống kênh với mục tiêu cải thiện việc sử dụng các nguồn (lao
động, nước, kinh tế, môi trường) và dịch vụ phân phối nước cho người dùng nước”.
10

cầu tưới của cây trồng để trợ giúp cán bộ quản lý lập lịch cấp nước tưới. Phần mềm
ISAREG là để trợ giúp hệ thống tưới cây trồng cạn còn phần mềm IRRICEP là để trợ

11


giúp điêù hành hệ thống tưới lúa nước. Các phần mềm này đã được ứng dụng để điều
hành hệ thống Sorraia gần thủ đô LISBON, Bồ Đào Nha [4].

Việt Nam:
Hiện nay, ở Việt Nam chưa có kết quả nghiên cứu nào thuộc nhóm này được sử dụng
phổ biến. Người dùng thường sử dụng phần mềm CROWAT để tính toán nhu cầu
dùng nước của cây trồng phục vụ cho bài toán quy hoạch, thiết kế các công trình thủy
lợi.
Trong khuôn khổ một dự án hợp tác nghiên cứu giữa Trường đại học Melburne (Úc)
và Viện Khoa học Thủy Lợi (nay là Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam), mô hình vận
hành hệ thống kênh tưới (IMSOP) đã được ứng dụng thử nghiệm trên các số hệ thống
tưới La Khê, Đan Hoài và Củ Chi. Sau đó, được tác giả và nhóm nghiên cứu của Viện
Khoa học Thủy lợi Việt Nam nghiên cứu phần mềm này và đã được cải tiến và ứng
dụng mở rộng ở hệ thống tưới Đông Anh, Nam Sông Mã, Đồng Cam. Tuy nhiên đến
nay, do nhiều nguyên nhân khác nhau, các đơn vị sử dụng gần như không dùng đến
công cụ này để tính toán điều hành hệ thống tưới.
Trong khuôn khổ luận án của mình, Tiến sĩ Nguyễn Việt Chiến [5] đã sử dụng mô
hình IMSOP để tính toán đưa ra hiệu quả sử dụng nước mưa ứng với từng thời kỳ sinh
trưởng của cây lúa.
Trong khuôn khổ luận án của mình, Tiến sĩ Trần Văn Đạt [6] đã nghiên cứu phát triển
mô hình IMSOP để vận hành hệ thống tưới trong điều kiện hạn chế nguồn nước. Tác
giả đã phát triển mô hình theo hướng chọn mô hình tối ưu phi tuyến để nghiên cứu ứng
dụng hỗ trợ ra quyết định trong công tác vận hành hệ thống với hàm mục tiêu là tối đa