Nghiên cứu, xây dựng hệ thống tự động giám sát, cảnh báo và vận hành các hồ, đập thủy lợi trên địa bàn tỉnh Phú Thọ

Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì
TS. Vũ Đình Ngọ
(1) TS. Vũ Đình Ngọ; (2) ThS. Lâm Việt Tuấn; (3) ThS. Nguyễn Ánh Dương; (4) ThS. Lê Phong Nam; (5) TS. Nguyễn Minh Tuấn; (6) KS. Nguyễn Văn Lợi; (7) KS. Trần Việt Hùng.

 1. Mục tiêu chung

 Xây dựng hệ thống sử dụng phần mềm giám sát, điều khiển SCADA để giám sát, cảnh báo, vận hành tự động và góp phần hỗ trợ công tác quản lý hệ thống hồ, đập thuỷ lợi trên địa bàn tỉnh Phú Thọ.

2. Mục tiêu cụ thể

- Xây dựng phần mềm giám sát, điều khiển SCADA truyền và xử lý tín hiệu, nhận tín hiệu qua sóng di động và Internet.

- Xây dựng phòng điều khiển trung tâm ứng dụng phần mềm SCADA để giám sát, cảnh báo mực nước các hồ đập thuỷ lợi và giám sát, điều khiển quá trình xả nước trên mô hình các công trình thuỷ lợi.

- Xây dựng 01 mô hình hệ thống SCADA giám sát, cảnh báo, vận hành cho các hồ đập thuỷ lợi.

 1. Khảo sát, thu thập số liệu, đánh giá hệ thống hồ, đập thủy lợi trên địa bàn tỉnh Phú Thọ, lựa chọn một số hồ đập tiêu biểu để nghiên cứu

- Phạm vi khảo sát: Các huyện thuộc địa bàn tỉnh Phú Thọ;

- Đánh giá hiện trạng một số hồ đập tiêu biểu lựa chọn để nghiên cứu: Đặc điểm địa tự nhiên, địa lý vùng, thể tích chứa nước của các hồ, lưu lượng nước, mực nước, hệ thống chân đập, hệ thống xả nước, hệ thống vận hành, giám sát, cảnh báo...từ đó lựa chọn hồ đập phù hợp cho nghiên cứu;

- Số lượng hồ đập thủy lợi lựa chọn phục vụ nghiên cứu: 03 hồ, đập;

- Lựa chọn nghiên cứu hồ chứa có dung tích chứa khoảng từ 1 đến 12 triệu m3 nước;

- Nghiên cứu các hồ đập thuộc công trình trọng điểm, ưu tiên các hồ đập có hệ thống đóng/mở cửa xả nước bằng động cơ điện;

- Nghiên cứu các hồ đập chưa có hệ thống giám sát, cảnh báo hoặc nếu có ở mức độ thấp.

 

 

2. Đánh giá tổng quan về hệ thống giám sát, điều khiển SCADA để ứng dụng trong hệ thống tự động giám sát, cảnh báo và vận hành các hồ đập thủy lợi

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) được định nghĩa là một hệ thống thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát hệ thống. Thông thường một hệ thống SCADA sẽ thực hiện các nhiệm vụ như đo đạc và thu thập thông tin, xử lý thông tin, truyền thông tin về trung tâm, hiển thị thông tin cho người sử dụng, lưu trữ thông tin và điều khiển hệ thống. Việc điều khiển có thể được thực hiện một cách tự động hoặc bằng tay. SCADA trước đây thường được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống công nghiệp, nhà máy có quy trình sản xuất mang tính tự động hóa cao. Ngày nay, SCADA được ứng dụng ngày càng rộng rãi, đặc biệt là trong các hệ thống dự báo và cảnh báo thiên tai (bão lụt, lũ quét, sóng thần...), hệ thống giám sát môi trường, hệ thống giám sát và vận hành các công trình thủy lợi, hồ chứa nước phục vụ sản xuất…

          Trong quản lý, vận hành hệ thống hồ đập thủy lợi, hệ thống giám sát, điều khiển SCADA được ứng dụng cho những công việc sau:

- Giám sát liên tục mực nước trong hồ, giám sát hệ thống cửa xả phục vụ tưới và xả lũ;

- Cảnh báo mực nước tại hồ chứa, đập: mực nước thấp quá mức cho phép xả, mực nước cao quá mức cho phép dẫn đến nguy cơ mất an toàn chân đập; Cảnh báo sớm phục vụ cho ứng phó với thiên tai;

-Vận hành tự động: Vận hành tự động là cấp cao nhất của SCADA trong quản lý hệ thống, hệ thống hồ đập được vận hành theo kế hoạch hoặc lịch đăt trước.

- Vận hành hệ thống tưới: Vận hành đóng/ mở cống, điều tiết cửa xả thay đổi lưu lượng, …Ngoài ra còn có thể tích hợp các máy theo dõi thời tiết, theo dõi an toàn hồ đập vào trong cùng hệ thống;

- Trạm làm việc: Các  trạm  làm  việc  thường  được  lắp  đặt  tại  các  công  trình  như  hồ, đập, trạm  bơm,  cống xả…nhằm  thực  hiện  các  chức  năng của  hệ  thống đối  với  trạm  đó  (đo mực  nước,  đo  lưu lượng, vận hành, cảnh báo…).

- Hệ thống truyền tin: Truyền tin được sử dụng cho việc trao  đổi thông tin giữa  các  Trạm làm việc và Trung tâm điều khiển. Có nhiều loại công nghệ truyền tin như GSM, điện thoại, radio, cáp quang, GPRS…

- Trung tâm điều khiển: Các Trạm làm việc truyền dữ liệu về trung tâm điều khiển thông qua mạng truyền tin. Trung tâm  điều  khiển  là  nơi  mà  dữ  liệu  từ  các trạm  làm  việc được thu  nhận,  xử  lý,  lưu  trữ  và chuyển đến các nơi khác nếu cần thiết. Người điều hành có thể theo dõi những tham số đã đặt, điều khiển các trạm và hỗ trợ quản lý hệ thống hiệu quả hơn.

3. Thiết lập bài toán điều khiển, thiết kế, lựa chọn giải pháp công nghệ.

a. Bài toán điều khiển: Xây dựng hệ thống tự động giám sát, cảnh báo và vận hành tự động cho 3  hồ đập thủy lợi.

                                                                                                                        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hình 2: Mô tả đối tượng bài toán nghiên cứu

+ Yêu cầu hệ thống tự động giám sát, cảnh báo và vận hành từ xa các hồ đập thủy lợi. từ trung tâm điều khiển cách vị trí hồ khoảng 100km;

          Với yêu cầu trên hệ thống  giám sát điều khiển phải đáp ứng được các yêu cầu cụ thể như sau:

- Tính năng hiển thị các thông tin trên giao diện điều khiển trung tâm;

- Tính năng giám sát các thông số của công trình thủy nông theo yêu cầu;

- Tính năng vận hành hệ thống (hồ, đập) từ phòng điều khiển trung tâm;

- Tính năng tự động điều khiển vận hành hệ thống thủy nông theo các thông số đặt trước;

- Tính năng cảnh báo khi có các điều kiện bất thường xảy ra;

- Tính năng báo cáo thông tin, thông số trong quá trình vận hành;

Yêu cầu cụ thể:

- Đo được mức nước trong hồ, thu thập và hiển thị về trung tâm điều khiển

- Tự động cảnh báo về trung tâm và mở cửa xả nước nếu đến các mức cảnh báo.

- Điều khiển xả mức nước trong hồ từ trung tâm điều điểu khiển theo chương trình.

- Cảnh báo các tình trạng sự cố.

b. Thiết kế, lựa chọn giải pháp phần cứng, phần mềm.

+ Giải pháp phần cứng:

Từ phân tích các giải pháp thiết kế và xây dựng hệ thống lựa trọn phương án  thiết kế xây dựng hệ thống giám sát điều khiển SCADA bằng truyền thông qua sóng di động GPRS/3G và Internet.

Căn cứ  lựa chọn:

- Ở nước ta hiện nay sóng di động đã được phủ khắp cả nước. Do vậy có thể đảm bảo được truyền thông từ hiện trường đến trung tâm điều khiển.

- Thuận lợi khi các điểm hiện trường phân tán và số điểm là lớn

- Không giới hạn khoảng cách đến vị trí điều khiển trung tâm

- Chi phí vận hành nhỏ

- Cập nhât dữ liệu nhanh và liên tục

- Dữ liệu được truyền dưới dạng đóng gói nên độ bảo mật cao

- Dễ dàng tích hợp khi mở rộng số điểm

+ Thiết kế  cấu trúc phần cứng

          Sử dụng cấu hình hệ thống SCADA rút gọn, dùng PLC thay thế cho RTU và MTU truyền thống.

+ Giải pháp phần mềm:

Sử dụng  phần mềm wincc  thiết lập giao điện điều khiển và giám sát

     WinCC là một trong những phầm mềm cho phép giao tiếp giữa người và máy (IHMI-Integrated Human Machine Interface). Với WinCC, có thể lập trình xử lý một cách dễ dàng và cho phép quan sát trực quan tất cả các khía cạnh của hệ thống xử lý.

- WinCC là một hệ thống giao diện giữa người và máy cho các loại cấu hình khác nhau, WinCC là một phần mềm không giới hạn về mặt không gian. Với tính năng phân thành các module và tính linh hoạt của phần mềm, có thể thiết kế và thực hiện các thao tác tự động dễ dàng.

Giao diện WinCC cung cấp các module hàm thích hợp với công nghiệp về graphic display (màn hình đồ hoạ), messages (những thông báo), archives (văn thư lưu trữ) và reports (những báo cáo). Giao diện điều khiển mạnh, tính cập nhật hình ảnh nhanh chóng và những hàm lưu trữ tin cậy, đảm bảo tính sẵng sàng cao. Trong dòng các sản phẩm thiết kế các giao diện phục vụ vận hành giám sát, WinCC thuộc thứ hạng SCADA (SCADA class) với những chức năng hữu hiệu cho việc điều khiển.

4. Xây dựng hệ thống giám sát, điều khiển SCADA

+ Nghiên cứu, thiết kế trạm điều khiển trung tâm cho hệ thống SCADA.

          - Lựa chọn cấu hình máy chủ

          - Thiết kế tủ điều khiển, lựa chọn thiết bị và cấu hình cho bộ điều khiển;

          - Thiết kế, lựa chọn thiết bị truyền thông

+ Nghiên cứu, thiết kế, trạm vận hành cho hệ thống SCADA.

          - Lựa chọn cấu hình máy trạm

          - Thiết kế tủ điều khiển, lựa chọn thiết bị đóng/cắt và điều khiển;

          - Thiết kế, lựa chọn thiết bị truyền thông

+ Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình hệ thống cửa xả tự động cho hồ đập thủy lợi phục vụ cho nghiên cứu.

          - Nghiên cứu, xây dựng nguyên lý mô hình hệ thống cửa xả tự động;

          - Thiết kế, chế tạo cơ khí mô hình

          - Nghiên cứu, thiết kế, chọn thiết bị điện đóng/ mở cửa xả

          -  Nghiên cứu, chọn thiết bị cảm biến đo độ đóng/ mở cửa xả

 + Nghiên cứu,thiết lập hệ thống cảnh báo nguy cơ mất an toàn cho hệ thống hồ đập. - Thiết lập các mức cảnh báo mực nước: Mức 1; mức 2; mức 3.

          - Thiết lập điều kiện xả tự động khi xảy ra nguy cơ mất an toàn cho hệ thống hồ, đập.

          - thiết lập cảnh báo cho trạm vận hành trung tâm khi xảy ra các cảnh báo và sự cố trong quá trình vận hành.

+ Nghiên cứu, thiết kế phần cứng hệ thống giám sát, điều khiển SCADA 

          - Thiết kế cấu trúc phần cứng cho hệ thống gồm: Mạng quản lý; Trạm vận hành HIS; PLC; thiết bị cấp trường.

+ Nghiên cứu, thiết kế mạng truyền thông cho hệ thống giám sát, điều khiển SCADA

          - Nghiên cứu, lựa chọn giải pháp truyền thông qua sóng di động GPRS/3G và Internet cho hệ thống SCADA

          - Nghiên cứu, lựa chọn thiết bị phần cứng cho mạng truyền thông

+ Lập trình SCADA cho toàn hệ thống giám sát, vận hành....

          - Nghiên cứu, xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển SCADA cho hệ thống giám sát, cảnh báo, vận hành tự động hệ thống hồ, đập thủy lợi

          - Lập trình WinCC tạo giao diện vận hành, điều khiển cho hệ thống SCADA để giám sát, cảnh báo, vận hành tự động hệ thống hồ, đập thủy lợi.

+ Xây dựng thuật toán điều khiển và lập trình PLC cho hệ thống đóng/mở cửa xả tự động. 

5. Lắp đặt thiết bị, vận hành thử nghiệm và hiệu chỉnh thông số; Đánh giá hiệu quả của hệ thống giám sát, điều khiển SCADA đã xây dựng

Đề tài đã lắp đặt thiết bị điều khiển trung tâm cho hệ thống SCADA; Lắp đặt thiết bị điều khiển trạm vận hành cho hệ thống SCADA; Lắp đặt thiết bị mô hình hệ thống cửa xả tự động cho hồ đập nghiên cứu; Lắp đặt thiết bị mạng truyền thông cho hệ thống.

Đề tài cũng vận hành thử nghiệm hệ thống trên 3 hồ, đập thủy lợi đã lựa chọn trong quá trình nghiên cứu. Đánh giá các chức năng của hệ thống: Chức năng điều khiển hiện trường, điều khiển trung tâm; Chức năng giám sát, chức năng cảnh báo; chức năng vận hành tự động; chức năng báo cáo số liệu. Nếu chưa phù hợp với yêu cầu và thực tế thì hiệu chỉnh cho phù họp.

6. Đào tạo, tập huấn cho cán bộ kỹ thuật làm chủ công nghệ, vận hành hệ thống giám sát điều khiển SCADA để giám sát, cảnh báo và vận hành các hồ đập thủy lợi

Đề tài đã mở các lớp đào tạo, tập huấn cho các can bộ kỹ thuật làm chủ công nghệ, vận hành hệ thống giám sát điều khiển SCADA để giám sát, cảnh báo và vận hành các hồ đập thuỷ lợi trên địa bàn tỉnh. Sau khoá đào tạo, các cán bộ kỹ thuật đã nẵm vững và làm chủ công nghệ, vận hành hệ thống giám sát điều khiển SCADA.

01/2015 - 8/2016