Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị đo độ mở van cung, kết nối và giám sát điều khiển tự động

Từ đó tính toán, thiết kế chế tạo thiết bị đo độ mở van cung đồng thời xây dựng được một phần mềm tiện lợi chuyên dụng để tính toán hiển thị độ mở van cung theo sai số cần thiết khống ch

Cơ quan chủ quản: Bộ Công Thương

Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Nghiên cứu Cơ khí Chủ nhiệm đề tài: Vũ Văn Điệp

7464

28/7/2009

Hà Nội -2008

Phan Thạch Hổ Vũ Văn Điệp

Hà nội - 2008

MỤC LỤC

DANH SÁCH CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA 1

LỜI NÓI ĐẦU 2

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ VAN CUNG VÀ THIẾT BỊ ĐO ĐỘ MỞ VAN CUNG 3

1.1 Tổng quan về van cung và thiết bị đo độ mở van cung 4

1.2.Tình hình nghiên cứu thiết kế ở nước ngoài 8

1.3 Tình hình nghiên cứu thiết kế ở trong nước 10

1.4 Đối tượng, phạm vi, mục tiêu và nội dung nghiên cứu 11

1.5 Kết luận 11

Chương 2

THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐỘ MỞ VAN CUNG VÀ ĐIỀU KHIỂN 2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động thiết bị đo độ mở van cung 12

2.2 Tính toán độ mở cửa van cung 14

2.3 Lựa chọn phương án lập trình điều khiển 23

2.4 Kết luận chương 2 23

Chương 3 24

NGHIÊN CỨU PHẦN MỀM HIỂN THỊ ĐỘ MỞ VAN CUNG, KẾT NỐI VÀ GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

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

DANH SÁCH CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA

7 Nguyễn Tiến Dũng Kỹ sư Viện NARIME

LỜI NÓI ĐẦU

Năng lượng điện có vai trò vô cùng to lớn trong sự phát triển văn hoá và đời sống Nhu cầu điện năng tăng trưởng ngày càng mạnh hoà nhịp với tốc độ tăng trưởng của nền kinh tế và vì vậy sản lượng điện năng ngày càng phát triển mạnh Ở nước ta thuỷ điện chiếm tỷ trọng khoảng 60% công suất của hệ thống điện Việt Nam hiện nay và trong thập kỷ đầu của thế kỷ 21, khi nhu cầu phát triển kinh tế tăng cao đòi hỏi nhiều điện năng thì thuỷ điện là nguồn năng lượng

rẻ tiền nhất cần khai thác triệt để Công trình thuỷ điện không những đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng mà còn là công trình tổng hợp phòng chống thiên tai Vì vậy xây dựng các công trình thuỷ điện lợi dụng tổng hợp chống lũ và cấp nước cho hạ lưu sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao và là mục 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 phải 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 Vấn 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, nhập 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 cần 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 tự 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 cung đồng thời xây dựng được một phần mềm tiện lợi chuyên dụng để tính toán hiển thị độ mở van cung theo sai số cần thiết khống chế giúp cho việc điều khiển

dễ dàng chuẩn xác việc đóng mở tự động các van cung các công trình thuỷ điện

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VAN CUNG VÀ THIẾT BỊ ĐO

ĐỘ MỞ VAN CUNG

1.1 Tổng quan về van cung và thiết bị đo độ mở van cung

1.1.1 Tổng quan về van cung:

Cửa van hình cung là loại cửa van có bản chắn nước cong mặt trụ Sau tấm chắn nước là hệ thống dầm tựa vào càng, chân càng tựa vào trục quay gắn vào trụ Chuyển động khi nâng hoặc hạ cửa van là loại chuyển động quay

Khi trục quay của cửa van trùng với tâm vòng tròn của tấm chắn, áp lực nước sẽ truyền qua càng đến trục quay Nếu tâm quay nằm thấp hơn tâm cung mặt chắn thì lực mở sẽ giảm, khi tâm quay nằm trên tâm cung mặt chắn thì áp lực nước có tác dụng ép cửa van xuống ngưỡng đáy làm cho đáy khít hơn, ít rò gỉ Song nhược điểm của các trường hợp này là dễ gây hiện tượng rung động khi mở cửa

Vì vậy thường bố trí trục quay trùng với tâm vòng tròn của tấm chắn

Ưu điểm của cửa van hình cung là lực mở nhỏ, mở nhanh và dễ dàng, điều tiết lưu lượng khá tốt, trụ có thể làm mỏng so với van phẳng vì khe van nông Tuy nhiên trụ phải làm dài để có đủ kích thước đặt càng van, áp lực nước tác dụng tập trung lên trụ (qua càng van) làm cho ứng suất phát sinh trong trụ và việc bố trí cốt thép chịu lực phức tạp, nhất là những nơi van làm việc trong điều kiện chịu lực hai chiều Về cấu tạo và lắp ráp van cung cũng khó khăn, phức tạp hơn van phẳng

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:

d)

Hình 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 ống có áp dẫn nước vào nhà máy thuỷ điện

Cửa van cung chỉ dùng làm cửa van chính

Cửa van cung được phân loại như sau:

Theo mực nước thượng lưu, được chia thành hai loại: loại van trên mặt (hình 1.1: a, b, c, d, e) và loại cửa van dưới sâu (hình 1.1: f)

Theo kết cấu cửa van: cửa van đơn, cửa van có cửa phụ (hình 1b), cửa van kép (hình 1.1: c, d)

1.1.3 Một số nguyên tắc bố trí và cấu tạo:

Cửa van hình cung bao gồm cửa chắn nước, hệ thống dầm, càng đỡ và gối quay Hệ thống dầm cũng bố trí theo nguyên tắc ở mọi chỗ bản mặt chịu lực như nhau, các dầm chính chịu lực như nhau để tiện thi công và tận dụng khả năng chịu lực

Đối với hệ thống càng van, chịu áp lực nước từ dầm và dầm biên truyền tới, tính toán theo nguyên tắc giàn, gối quay là nơi càng tựa lên và quay khi

đóng mở cửa Trường hợp bán kính van cung R=(1,2-1,5)h1, (trong đó h1 là chiều sâu nước thượng lưu) thì gối quay đặt thấp hơn mực nước thượng lưu Gối thường đặt cao hơn mực nước lớn nhất ở hạ lưu để tránh bị han gỉ

Loại gối cầu có cấu tạo tương đối phức tạp nhưng có thể chuyển động được theo các chiều khác nhau Do đó khi các trụ lún không đều trong chừng mực nhất định vẫn không ảnh hưởng tới việc đóng mở cửa

1.1.4 Thông số kỹ thuật cửa van cung-Công trình thuỷ điện Sê San 4

- Chiều rộng cửa van B: 15,0m

- 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

* kết 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 h0 và bề rộng l0 của lỗ cống, thường chọn R= (1,2-1,5) h0 Ngoài ra cần phải chọn tỷ số r/l0 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

Dầm đứng là bộ phận quan trọng của kết cấu cửa van hình cung, dầm chính có tác dụng đỡ áp lực nước từ bản mặt và chuyển đến dầm khung chính,

phân đều tải trọng lên khung chính và chịu các lực ngẫu nhiên không nằm trong mặt phẳng của khung chính

Dầm đứng được tạo bởi thanh đứng và bản mặt, kích thước hình học của dầm đứng phụ thuộc vào chiều cao cửa van, bán kính và vị trí tâm bản mặt, phụ thuộc vào chiều cao của dầm chính

- Bố trí kết cấu dầm biên:

Dầm biên được bố trí ở hai đầu cửa van cung dùng để gắn bánh xe bên, vật chắn nước, cũng như các chi tiết khác Dầm biên được đặt thao toàn bộ chiều cao cửa van

- Bộ phận gối quay cửa van cung:

Áp lực thuỷ tĩnh và trọng lượng kết cấu van cung truyền lên mố của công trình qua gối quay, gối quay cần phải đảm bảo chuyển động quay của cửa van Tuỳ theo kích thước của cửa van, tải trọng tác dụng lên van và kết cấu của khung càng mà sử dụng gối quay có trục ngang hoặc gối quay có trục ngang và trục dọc Loại thứ nhất thường dùng cho cửa van hình cung có nhịp dưới 8m, loại thứ hai dùng cho các cửa van có nhịp trung bình và lớn

Gối quay gồm có hai bộ phận, bộ phận động được liên kết cứng với khung càng, bộ phận cố định được gắn chặt lên côngxon bê tông của trụ pin

Liên kết bộ phận phần động của gối quay với khung càng thường dùng bulông lúc này lực ngang được đỡ bằng gờ bao quanh bản đế ở đầu khung càng

Có thể dùng bulông tinh để liên kết lúc này bu lông chuyển được lực ngang lên gối không cần dùng gờ để chịu lực ngang do đó thi công sẽ đơn giản hơn

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 thị 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 điều khiển tại chỗ

và từ xa

Dưới đây là kết cấu của cửa van cung và cơ cấu chỉ thị độ mở cửa van

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 góc mở

- Cấu tạo cột đo và chỉ thị độ mở

Cột đo và chỉ thị độ mở được cấu tạo gồm các cụm cơ bản sau:

+ Thân cột chỉ thị: Cấu tạo từ kết cấu hàn, bao gồm khoang chứa quả đối trọng, thước và kim chỉ thị độ mở cơ khí

+ Cơ cấu tang quay đo và đếm: Cấu tạo từ 02 tang quay cùng trục, bao gồm tang nhận tín hiệu độ mở thông qua cáp treo và tang nối với đối trọng quay đồng trục với tang kia

+ Cơ cấu đo và chỉ thị: Bao gồm thiết bị đo và chỉ thị độ mở cơ khí và thiết bị đo và thiết bị đo lường điện Thiết bị đo lường điện sử dụng một encoder (bộ mã hoá vòng quay) gắn với trục của tang quay lớn hoặc tang quay nhỏ Khi cửa van cung vận hành thì số xung mà encoder đếm được sẽ tỷ lệ số vòng quay của tang

+ Hệ đối trọng: Giải quyết quá trình thu và nhả dây cáp treo trong quá trình đóng mở cửa van cung, đối trọng luôn tạo một thế năng cho tang quay theo chiều cuốn cáp

+ Hệ thống cáp, ròng rọc: Hệ thống này có chức năng truyền tải tín hiệu

độ mở cửa van cung tới cơ cấu tang quay

1.2.Tình hình nghiên cứu thiết kế ở nước ngoài

Ngành công nghiệp thuỷ điện là ngành đã phát triển từ lâu trên thế giới Tuy nhiên đến nay, cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành khoa học

kỹ thuật trong đó có ngành cơ khí - tự động hoá, các trang thiết bị thuỷ điện nói chung và cơ khí thuỷ công nói riêng cũng liên tục được hoàn thiện Các Công ty chuyên cung cấp các thiết bị cơ khí thuỷ công như Nhật Bản, Trung Quốc, Nga, 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

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

1.2.3 Cảm biến đo góc công nghệ 3D MEMS: Sử dụng phần tử cảm

biến là một thanh bán dẫn có đối trọng nhỏ Phía trên mặt thanh có màng điện trở tenzo, dưới tác dụng của trọng trường thanh bán dẫn biến dạng làm màng điện trở thay đổi giá trị tỷ lệ với góc cần đo Với công nghệ MEMS có thể chế tạo cả phần cảm biến và xử lý tín hiệu trên cùng một phiến bán dẫn

Hình 1.8: Cảm biến đo góc 3D

1.3 Tình hình nghiên cứu thiết kế ở trong nước

Do cách thức sản xuất và phân phối các thiết bị cơ khí thuỷ công của các công ty nước ngoài như đã đề cập ở trên, nên các nhà máy thuỷ điện ở nước ta gặp rất nhiều khó khăn trong việc vận hành, bảo dưỡng cũng như mua sắm thiết

bị dự phòng Từ đó, một nhu cầu hiển nhiên và bức thiết đặt ra là phải đồng nhất, thống nhất thiết bị đo độ mở van cung theo một thiết kế chuẩn

Nhằm nghiên cứu chuyên sâu và phát triển một hệ thiết bị đo độ mở van cung phục vụ cho ngành thuỷ điện trong nước, nhóm đề tài đề xuất nghiên cứu, thiết

kế và chế tạo thiết bị đo độ mở van cung kết nối và giám sát điều khiển tự động cho các nhà máy thuỷ điện trong nước

Trong nước chủ động hơn trong việc chế tạo các thiết bị đòi hỏi hàm lượng khoa học công nghệ cao, phù hợp với chương trình trọng điểm quốc gia

về chế tạo các thiết bị cơ khí thuỷ công của Chính phủ

Đề tài góp phần giảm chi phí ngoại tệ do phải nhập thiết bị tương tự từ nước ngoài

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 vẽ 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

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO

ĐỘ MỞ VAN CUNG VÀ PHƯƠNG ÁN LẬP CHƯƠNG TRÌNH

Hình 2.1: Cấu tạo thiết bị đo độ mở van cung:

1.Cụm puly dẫn hướng 1; 2 Tủ bao che; 3 Cụm khung; 4.Cụm đối trọng;

5.Cụm tang quấn cáp; 6.Gối đỡ SY30 TF/VA201; 7 Encoder E6B2; 8.Khớp nối

RC8; 9 Cụm puly dẫn hướng 2; 10.Cụm puly dẫn hướng 3; R

Hình 2.2: Hình ảnh thiết bị đo độ mở van cung:

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 tủ 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

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 :

q = f1(N) (1)

Trong đó:

- q: Chiều dài tức thời của dây cáp được quấn vào tang

- N: Số vòng quay của tang

Do đường kính của dây không đáng kể so với đường kính của tang và số

lớp vòng dây quấn trên tang là nhỏ nên có thể coi đường kính ngoài của tang là

không thay đổi trong suốt quá trình vận hành Do đó, một cách gần đúng có thể

coi chiều dài dây được quấn vào tang sẽ là một hàm tuyết tính với số vòng quay

của tang N Ta có phương trình:

q = k1*N (2)

Trong đó:

- k1: Hằng số tỷ lệ, phụ thuộc vào thông số kết cấu cơ khí

Mặt khác số vòng quay của tang N tỷ lệ với số vòng quay của encoder

đồng nghĩa với việc số vòng quay của tang N tỷ lệ với số xung đếm được từ

encoder, cho nên chiều dài dây cáp được quấn vào tang q sẽ là một hàm tỷ lệ với

đối số xung đếm được từ encoder:

q = k2*Z (3) Trong đó:

- k2: Hằng số tỷ lệ, phụ thuộc vào thông số kết cấu cơ khí

- Z : Số xung đếm được từ encoder

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 = f2(q) (4)

hay a = f'2(q) (4’)

(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 f2và 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

số trường hợp công việc này là không khả thi và đem lại kết quả không đáng tin

cậy Ngoài ra, còn một khó khăn nữa mà khi chúng ta áp dụng phương pháp này

có thể gặp phải là khi chúng ta đã tìm được kết quả chính xác của hàm nhưng đó

là các biểu thức toán học rất phức tạp, cồng kềnh gây khó khăn cho quá trình

tính toán đặc biệt khi mà các bộ điều khiển của chúng ta đa số là bộ điều khiển

khả trình PLC còn rất nhiều hạn chế trong việc hỗ trợ các hàm tính toán và khả

năng đáp ứng thời gian thực của nó trong quá trình tính toán Do đó, trong

những trường hợp như vậy thì việc tính toán gần đúng được xem là một giải

pháp đơn giản, tương đối tin cậy và có thể mang lại kết quả khả thi nhất Có rất

nhiều phương pháp tính toán gần đúng, ở đây nhóm đề tài đưa ra hai phương án:

phương pháp nội suy tuyến tính và phương pháp tìm đa thức nội suy sử dụng

phần mềm Matlab dựa trên bảng giá trị các điểm lấy mẫu trên cơ sở thực

nghiệm

2.2.2 Phương pháp nội suy tuyến tính

Giả sử có hàm F(x) và đạo hàm của nó liên trục trong đoạn [a,b] đủ nhỏ và đạo

hàm cấp 1 và cấp 2 của nó không đổi dấu trong đoạn đó thì khi đó với một giá

trị bất kỳ c∈[a,b] ta có thể tính gần đúng giá trị của hàm F tại điểm c bằng công

thức:

F(c) ≈ F(a) + (c-a)*(F(b)-F(a))/(b-a) (6)

Công thức (6) có thể minh họa dưới đồ thị hình 2 dưới đây:

Phương pháp nội suy tuyến tính coi gần đúng đường a1b trùng với đường

thẳng ab Độ chính xác của phương pháp càng cao khi đoạn [a,b] chia càng nhỏ

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 53o, giá trị góc

mở a biến thiên từ -8o÷ 45o Thực hiện phép xoay theo chiều thuận chiều kim

đồng hồ quanh điểm tâm là tâm của gối xoay với bước xoay là 3ota sẽ có 18

điểm giá trị lấy mẫu, và hiệu giá của 2 điểm liền kề là 3o.Trong khoảng 3o 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 thực 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)

- q’[i]: Độ dài của dây cáp tính từ đầu xy lanh đến tang

quay, giá trị này được lấy bằng cách đo thực nghiệm trên bản vẽ ở lần quay thứ i

của cửa van cung quanh gối quay của + q[i] - độ dài của dây cáp được quấn vào

tang, giá trị này được tính thông qua giá trị q’[i] theo công thức :

q[i] = q’[1]-q[i] (7) Trong đó:

- h[i]: Độ mở cửa van tính theo chiều cao so với phương nằm

ngang ở cao trình 199,92, giá trị này được xác định thông bằng cách đo thực

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 t0 nào đó (giá trị này

hoàn toàn xác định được tại một thời điểm bất kỳ theo phương trình(3)) trong đó

q(t0)∈[ q[i],q[i+1]] thì theo phương pháp nội suy tuyến tính ta sẽ tính được giá

trị độ mở cửa h(t0) theo công thức:

h(t0) = h[i]+(q(t0 )-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 10 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)

hệ giữa q và h nhờ sự hỗ trợ của phần mềm Matlab Dưới đây là kết quả thu

được từ phần mềm này:

2.2.5 Tính toán độ mở van cung theo khai triển Taylor:

Hình 2.5: Sơ đồ tính toán

Độ mở van cung được tính theo công thức:

) 2 sin(

. β +α

= a

2 sin(

α: Góc mở của van cung [độ]

β: Góc nghiêng của càng van cung tại vị trí van đóng hết [độ]

O: khoảng cách từ tâm gối quay đến ngưỡng đáy [m]

R: Bán kính cong của van cung [m]

Giải quyết bài toán

Bài toán đặt ra là xây dựng biểu thức thiết lập quan hệ giữa độ mở van

cung h (mét) và góc α (radian) Để làm điều này ta xây dựng mô hình tính toán

như hình 2.6:

Trong đó ξ làm điểm nằm giữa x và x0 , còn Rn(x) được gọi là số dư, nó

có thể được viết dưới dạng sau:

Trong đó: α(x) → 0 khi x →x0 Do đó số dư dạng Peano trong khai triển

Taylor có thể viết như sau:

k k

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:

2 1

k

π β

Trong trường hợp r lẻ thì công thức (2-13) được tính đến số hạng thứ hai

và sai số được tính dựa vào số hạng tiếp theo Đó là:

(2 1 3) ( ) ( 1) ( 1 2)

ba Do đó đó sai số được tính theo số hạng tiếp theo của (2-14), tức

(2 1 1) ( ) ( 1) ( 1 2)

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

Hãy tính độ mở van cung dựa vào công thức (2-13) với mười một số hạng

đầu Trong trường hợp này r=11, tức r lẻ Do đó ta sử dụng (2-10)

2.3 Lựa chọn phương án lập chương trình điều khiển

Từ các kết quả tính toán, thì phương pháp tính toán độ mở van cung bằng

khai triển Taylor cho kết quả độ chính xác cao và phù hợp nhất với thiết bị lập

trình PLC Do vậy, nhóm đề tài đã tiến hành lập chương trình điều khiển cho

PLC trên cơ sở khai triển Taylo (chi tiết chương trình điều khiển xem phần phụ

lục)

2.4 Kết luận chương 2:

Như vậy ta đã xây dựng được công thức tính xấp xỉ độ mở van cung theo

góc mở của van cung Công thức được thiết lập dưới dạng một chuỗi bậc, cho

phép tính dễ dàng góc mở van cung theo độ mở van cung chỉ dựa vào hai thông

số kết cấu (khoảng cách từ tâm quay đến ngưỡng đáy(O), chiều rộng của

ngưỡng đáy (L)) và các thông số yêu cầu của bài toán (độ mở van cung (h), sai

số ε ) Dựa vào công thức trên nhóm đề tài đã xây dựng được phần mềm để hiện

thị điều khiển độ mở van cung

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU PHẦN MỀM HIỂN THỊ ĐỘ MỞ VAN CUNG,

KẾT NỐI VÀ GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 3.1.Lựa chọn thiết bị điều khiển

Vấn đề về thuật toán và phương pháp tính toán đã được trình bày ở phần trên

Một bước khá quan trọng quyết định đến sự thành công của công việc là lựa chọn

công cụ và phương tiện để thực hiện bài toán đó, trong trường hợp này là ta phải

lựa chọn được thiết bị có khả năng thực hiện các phép toán như ở trên và đảm bảo

được các tính năng khác mà bài toán điều khiển đòi hỏi như: khả năng đáp ứng

thời gian thực, tính chính xác, độ tin cậy trong quá trình hoạt động v.v… Chúng ta

có thể chọn lựa phương pháp điều khiển bằng máy tính, bằng mạch vi xử lý, hoặc

PLC(Programmable Logic Controller)

PLC là bộ điều khiển số có khả năng lập trình, tương tự như vi điều khiển,

PLC là bộ não của các hệ thống máy, nó đảm nhiệm việc xử lý và điều khiển các

thiết bị trong các hệ thống tự động, và đặc điểm của nó là: có khả năng lập trình

mềm dẻo tùy theo yêu cầu của sản xuất, khác với vi điều khiển là nó ổn định hơn,

lập trình đơn giản hơn, không cần thiết kế phần giao tiếp nhiều như VĐK PLC có

thể thu nhận dữ liệu, giám sát hệ thống sản xuất, quản lý đo lưởng, truyền thông

các quá trình điều khiển và nó có mặt trong hệ thống sản xuất tích hợp CIM

(Computered Integrated System)

PLC thường được chia ra làm 3 loại theo khả năng xử lý các bài toán điều

khiển của nó: PLC loại nhỏ (Micro PLC) có số lượng đầu vào/ra nhỏ, bộ nhớ nhỏ,

khả năng mở rộng kém, chương trình chủ yếu được viết bằng LAD (Ladder Logic)

Các PLC này chủ yếu được sử dụng cho các máy móc, thiết bị đơn lẻ PLC loại

vừa (Mini PLC), PLC lớn (Power PLC) có thể quản lý số đầu vào/ra lớn hơn, bộ

nhớ nhiều hơn, khả năng mở rộng cao, các module vào ra có thể bố trí trên nhiều

Rack, có khả năng kết nối với các mạng công nghiệp tốt, có thể phát triển chương

trình cho các PLC này sử dụng ngôn ngữ bậc cao Các Mini PLC sử dụng cho các

máy móc thiết bị phức tạp hơn và các hệ thống điều khiển Các Power PLC chủ

yếu sử dụng trong các hệ thống điều khiển lớn hay các hệ thống điều khiển phân

tán

Ưu điểm của PLC là hoạt động bền vững trong môi trường khắc nghiệt công

nghiệp, độ tin cậy cao, tỉ lệ hư hỏng rất thấp, thay thế và hiệu chỉnh chương trình

dễ dàng, khả năng nâng cấp các thiết bị ngoại vi hay mở rộng số lượng đầu vào

nhập và đầu ra xuất linh hoạt

Để hiển thị giá trị độ mở cửa thì có một số cách sau: sử dụng máy tính công

nghiệp, màn hình điều khiển cảm ứng HMI(Human Machine Interface), thước đo

trực quan Ở đây nhóm đề tài sử dụng màn hình điều khiển cảm ứng, vì máy tính

công nghiệp cồng kềnh và có giá thành quá cao trong khi HMI có chi phí thấp, nhỏ

gọn và linh hoạt, dễ di chuyển trong lắp đăt, có độ tin cậy cao, tiêu thụ ít điện

năng

Trong công trình này ta sử dụng bộ điều khiển khả trình PLC S7-200 với CPU

226 của hãng Siemens để lập trình và thực hiện bài toán Hiển thị độ mở cửa với

màn hình cảm ứng V708CD của hãng Monitouch Với các tính năng kỹ thuật ưu

việt, sự hỗ trợ phong phú của các hàm tính toán bộ điều khiển và màn hình này,

hoàn toàn đáp ứng để giả quyết bài toán trên Điều này được chứng minh bằng

“chương trình tính toán độ mở cửa van cung” được trình bày trong phần sau đây

Hình 3.1: Bộ PLC S7-200 và màn hình hiển thị V708CD

3.2.Chương trình tính toán độ mở cửa van cung đập tràn

Từ yêu cầu của bài toán, xây dựng được sơ đồ khối của hệ thống như sau:

Hình 3.2: Sơ đồ khối điều khiển

Để xây dựng chương trình thì có thể sử dụng nhiều phần mềm khác nhau như

phần mềm Step 7 MicroWin V4.0 hoặc phần mềm WinCC 6.0 SP2 của hãng

Siemens

Encorder được gắn trực tiếp vào gối quay van cung, gửi tín hiệu là xung tần

số cao (1200xung/vòng) vào PLC, PLC xử lý và tính toán, đưa kết quả cuối cùng

lên màn hình hiển thị Sau đây là lưu đồ thuật toán tính toán

trên nhóm đề tài sử dụng phần mềm Step 7 MicroWin V4.0, áp dụng phương pháp

tính độ mở van cung theo khai triển Taylor Chương trình tính toán được viết như

sau:

Hình 3.4: Chương trình đếm xung HSC0

Hình 3.5: Chương trình chuyển đổi