Nghiên cứu công nghệ GSM/GPRS, công nghệ nhúng (Embedded Systems) và ứng dụng để thiết kế chế tạo thiết bị đo lường thu thập số liệu từ xa qua đường GSM/GPRS

DCS = Hệ thống điều khiển phân tán được sử dụng trong công nghiệp và xây dựng để giám sát và điều khiển các thiết bị không tập trung dưới sự tương tác của con người.. Hệ thống SCADA được

BỘ CÔNG THƯƠNG

VIELINA VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA

- o O o -

BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN

ĐỀ TÀI NCKH&PTCN CẤP BỘ NĂM 2011

Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ GSM/GPRS, công nghệ nhúng (Embedded

Systems) và ứng dụng để thiết kế chế tạo thiết bị đo lường thu thập số liệu từ xa qua đường GSM/GPRS

Cơ quan chủ trì : VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA

Chủ nhiệm đề tài : ThS Đặng Trần Chuyên

9168

HÀ NỘI- 2011

BỘ CÔNG THƯƠNG

VIELINA VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA

- o O o -

BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN

ĐỀ TÀI NCKH&PTCN CẤP BỘ NĂM 2011

Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ GSM/GPRS, công nghệ nhúng (Embedded

Systems) và ứng dụng để thiết kế chế tạo thiết bị đo lường thu thập số liệu từ xa qua đường GSM/GPRS

CƠ QUAN CHỦ TRÌ

VIỆN TRƯỞNG CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI

DANH SÁCH CÁN BỘ THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

STT Họ và tên Học hàm, học vị, chuyên môn Cơ quan công tác

4 Nguyễn Cao Sơn Kỹ sư, ĐLĐK VIELINA

CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

ADC = Analog to Digital Converter, bộ biến đổi tương tự sang số ANT = Antenna, ăng ten truyền sóng

BCD = Binary Code Decimal

BTS = Base Transceiver Station, trạm thu phát sóng

BSC = Base Station Controller

CC = Trung tâm Điều khiển

CPU = Central Processing Unit, bộ vi xử lý trung tâm

CRC = Cyclical Redundancy Checking

CSD = Circuit Switch Data

CTS = Clear To Send

DI/DO = Digital Input / Digital Output

DSC = Distributed Control Systems

DWL = Down-stream Water Level, mực nước hạ lưu

GP = Độ mở cống

GSM = Global System for Mobile communication, hệ thống

thông tin di động toàn cầu GPRS = General Packet Radio Services

H-ADCP = Horizontal Acoustic Doppler Current Profilers

HMI = Human Machine Interface

IAP = In Application Programming

IC = Integrated Circuit, mạch tích hợp

ISP = In System Programming

MTU = Master Terminal Unit, thiết bị đầu cuối trung tâm

MSC = Mobile service Switching Center

LCD = Liquid Crystal Display

LRC = Longitudinal Redundancy Checking

PCB = Printed Circuit Board, mạch in

PDP = Packet Data Protocol

PDU = Protocol Data Unit, giao thức truyền dữ liệu

khiển, giám sát và thu thập số liệu SIM = Subscriber Identity Module

SMS = Dịch vụ nhắn tin ngắn

TCP/IP = Transmission Control Protocol / Internet Protocol

UWL = Up-stream Water Level, mực nước thượng lưu

WS = Work Station, trạm làm việc

CÁC THUẬT NGỮ

ADCP = Acoustic Doppler Current Profiler, thiết bị ứng dụng hiệu

ứng sóng âm Doppler để đo vận tốc dòng chảy tại nhiều mặt cắt khác nhau và tính toán lưu lượng

AUTOMATIC

CONTROL

= Một tính năng của hệ thống SCADA trong tưới tiêu (và cả

ở các lĩnh vực khác), nó cho phép điều khiển bất kỳ thành phần nào ví dụ như mực nước (thượng/ hạ lưu), lưu lượng… của một công trình thậm chí là cả hệ thống một cách tự động

số liệu từ các sensor, và theo dõi các tham số khác

DCS = Hệ thống điều khiển phân tán được sử dụng trong công

nghiệp và xây dựng để giám sát và điều khiển các thiết bị không tập trung dưới sự tương tác của con người

GSM = Hệ thống liên lạc di động toàn cầu Đây là một hệ thống

mạng kỹ thuật số phổ thông nhất GSM có thể được dùng cho cả hai mục đích thoại và số Nó cũng được dùng để cung cấp kết nối tuần tự cho RTU

HMI = Giao diện người máy – một khái niệm về “lớp” ở giữa

người điều khiển cái máy đó Một ví dụ về HMI là một chiếc máy tính với phần cứng và phần mềm giúp ta điều khiển từ xa các máy móc lớn

MODEM = Modem là một thiết bị điều biến tín hiệu, mã hóa-giải mã

từ tín hiệu analog sang tín hiệu digital và ngược lại

MTU = Thiết bị đầu cuối chính được biết đến như là máy chủ

SCADA Máy chủ SCADA là thiết bị hoạt động như là

“chủ” trong hệ thống SCADA Các thiết bị ở xa và PLC tại hiện trường hoạt động như “tớ”

PLC = Khối điều khiển logic lập trình được, một máy tính nhỏ

được sử dụng cho việc tự động hóa các quy trình thực tế,

ví như điều khiển các dây chuyền lắp máy trong nhà máy REAL TIME = Khái niệm này dùng để chỉ ra rằng các tính toán hoàn

thành trong khoảng thời gian thực tế mà các tiến trình vật

lý diễn ra, và do đó kết quả trả về giúp hệ thống có thể trợ giúp các tiến trình vật lý đó

ROUTER = Router là thiết bị mạng máy tính dùng để chuyển tiếp các

gói dữ liệu đến các đích khác nhau giữa các mạng riêng biệt thông qua sự định tuyến Việc định tuyến xảy ra tại lớp thứ 3 trong mô hình OSI

RTU = Thiết bị đầu cuối từ xa, là một thiết bị kết nối giữa các đối

tượng vật lý với hệ thống DCS hoặc SCADA bằng cách truyền dữ liệu đo lường đến hệ thống và/ hoặc thay đổi trạng thái của các thiết bị kết nối đến nó dựa trên các mệnh lệnh nhận được từ hệ thống

SCADA = Hệ thống Giám sát, Điều khiển và Thu thập số liệu -

SCADA là một hệ thống điện-điện tử được xây dựng cho việc thu thập và xử lý số liệu theo thời gian thực Hệ thống SCADA được ứng dụng cho việc giám sát và điều khiển một trạm các thiết bị trong công nghiệp như viễn thông, phân phối nước, năng lượng, dầu khí và vận tải SENSOR = Là một thiết bị phát sinh dòng điện ở đầu ra tương ứng

với những tham số vật lý cần đo đạc (mực nước, nhiệt độ, lưu lượng, vv)

SERVER = Máy chủ là một máy tính hoặc thiết bị trong mạng lưới

mà quản lý các tài nguyên trong mạng Ví dụ, một máy chủ file là một máy tính với các thiết bị lưu trữ để lưu trữ các file, máy chủ web để truy cập đến nội dung web, máy chủ DNS để phân giải tên miền, máy chủ dữ liệu để truy cập các bảng tính quan hệ, máy chủ email để truy cập email, vv

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

I-2 Các vấn đề tồn tại trong các công tác quản lý, vận hành thủy nông 11

I-3 Giải pháp hiện đại hóa công tác quản lý, điều hành hệ thống thủy

II-1 Phân tích thiết kế: 23

II-2 Xây dựng sơ đồ nguyên lý 28

II-3 Thiết kế mạch in, thiết kế vỏ RTU 31

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG PHẦN MỀM CHO CHÍP NHÚNG 33

III-1> Phương thức giao tiếp với GSM module: 33

III-2> Thiết kế giao diện HMI, tổ chức bộ nhớ cho RTU và giao tiếp

GPRS

42

IV-1> Các thành phần của hệ thống đo lường và thu thâp số liệu sử dụng

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

MỞ ĐẦU

Việc đo lường, thu thập và xử lý số liệu theo thời gian thực là vô cùng cần thiết cho bất kỳ một hệ giám sát và điều khiển Một hệ thu thập và xử lý số liệu như vậy gọi là hệ SCADA Ngày này với sự phát triển của kỹ thuật điện tử viễn thông, hệ thống SCADA được ứng dụng rộng rãi cho việc giám sát và điều khiển trong các ngành kinh tế quốc dân

Trong công nghiệp: nhà máy chế biến, sản xuất, khai thác thì hệ SCADA dựa trên các đường truyền vật lý (dây tín hiệu) Trong viên thông, phân phối điện, nước, năng lượng và vận tải thì hệ SCADA dựa trên các đường truyền vô tuyến (không dây)

Trong phương pháp truyền tin vô tuyến có nhiều ưu điểm như: không cần dây dẫn, các trạm thu thập có thể nằm ở các vùng xa, hẻo lánh, ngăn cánh bởi sông nước, rừng núi giảm chi phí nhiều so với việc sử dụng dây tín hiệu Có nhiều phương pháp truyền vô tuyến:

- Radio link: sử dụng tần số vô tuyến điện để truyền tin, ít nhất 1 tần số được sử dụng, các trạm trao đổi thông tin với nhau thông qua hô hiệu (call sign) mà trong SCADA người ta thường gọi là địa chỉ Trung tâm điều hành sẽ lấy số liệu theo phương pháp hỏi vòng (polling)) Để tăng tốc độ lên có thể sử dụng 2 tần số up-link và down-link Tuy nhiên vì là sóng radio (RF) để tiết kiệm chi phí nhất thì cũng phải sử dụng dải tần VHF hoặc UHF cho nên các trạm phải có có ăng ten + cột cao từ 10m đến 20m tùy địa hình Và như vậy phải có hệ thống chống sét Việc phủ sóng trên một diện tích rộng lớn như vậy cần phải có thêm trạm lặp (repeater) tùy vào việc khảo sát Việc sử dụng tần số sóng radio VHF hoặc UHF (415 - 425 MHz) sẽ phải mất chi phí đăng ký chiếm dụng tần số vô tuyến

- Truyền tin sử dụng sóng điện thoại di động GSM/GPRS: Với phương pháp GSM/GPRS thì các trạm làm việc và trạm trung tâm sẽ được trang

bị GSM/GPRS modem với ang-ten tích hợp tại tủ, vì vậy không cần chống sét cho ăng-ten, không cần dựng cột ăng ten Việc phủ sóng là do nhà cung cấp dịch vụ GSM, vì vậy không phải lo đường truyền, không phải trang bị trạm khuếch đại tín hiệu Tần số liên lạc do nhà mạng cung cấp, nên không phải xin phép cấp tần số Đơn vị sử dụng chỉ phải thanh toán khoản cước phí hàng tháng rất nhỏ vì số liệu sử dụng SCADA là rất nhỏ

Tại các trạm làm việc, việc đo lường các thông số tại trạm, việc thu thập số liệu lưu trữ tại chỗ, việc nhận lệnh từ trung tâm điều hành, việc giao tiếp với mạng truyền tin đều do 1 thiết bị gọi là thiết bị đầu cuối từ xa (RTU) đảm nhận Thiết

bị RTU này đã được nhiều hãng sản xuất thiết bị trên thế giới chuẩn hóa dựa trên cấu trúc của máy tính PC (gọi là PC-based), PC nhúng, PLC hay công nghệ

nhúng hoặc hệ thống nhúng (Embedded Systems)

Với công nghệ nhúng thì có giá thành tương đối rẻ, chủ động trong thiết kế, giao tiếp với chip GSM/GPRS dễ dàng, tiết kiệm năng lượng và nâng cấp bảo trì

Tình hình nghiên cứu ứng dụng ngoài nước

Việc ứng dụng GSM/GPRS trong lĩnh vực thu thập điều khiển và quản lý số liệu từ xa đã phát triển rộng rãi trên toàn thế giới Những sản phẩm điển hình đã được nhiều công ty nghiên cứu và phát triển, những sản phẩm đó có thể liệt kê như sau:

Sản phẩm AutoLog® GSM-RTU với một loạt series như GSM-6; GSM-8; GSM-16; GSM-20 và GSM Gateway của hãng FF-Automation Phần Lan (Finland) có VP đại diện ở Việt nam là công ty Bachmai Information technology and Trading Company (BMC Company) xem http://www.ff-automation.com/products

Các ứng dụng của AutoLog® GSM-RTU do FF-Automation cung cấp dựa trên nền GSM/GPRS

Thiết bị AutoLog® GSM-16 của FF-Automation

Trong đó có những đặc điểm sau:

- Build-in GSM/GPRS modem

- Nguồn cấp đa dạng 12~30VDC / 12~24VAC / 230VAC

- Serial port: RS-232; (Optional RS-485, Modbus, TCP Ethernet or Wireles sensors)

- Programming tool: PC-based AutoLog® GSM Programmer

- Connection: GSM SMS / data / GPRS / FTP / Modbus RTU

- PLC functionns: logical, arithmetic comparíion, timer/counter, sequence program, reporting, queue, FIFO, PID, HMI (touchscreen), application program memory,

- Clock and calendar

Những tính năng chính:

- Analog inputs: 8 AI 12-bit (0~20mA; 4~20mA; 0~5V and 0~10V)

- Digital input: 4 DI 24VDC, max 8mA, opto-isolated

- Digital outputs: 4-relay 5A /250VAC 1A/30VDC

Các ứng dụng của thiết bị AutoLog® GSM-6 GSM-8 GSM-16 và GSM-20 của FF-Automation rất nhiều: lĩnh vực dầu khí và gas, cung cấp điện năng, cấp nước và xử lý nước, điện tòa nhà, các nhà máy công nghiệp, xử lý môi trường

và định vị trong giao thông vận tải

Về thủy lợi và xử lý nước thải FF-Automation đã cung cấp một số dự án AutoLog ® cho thủy lợi, nhà máy xử lý nước, các trạm bơm và bể chứa nước

Quan sát lưu lượng từ xa qua Internet

Tại Phần Lan, nhà máy nước Inkoo đã sử dụng hệ thống giám sát và điều khiển từ xa này (remote supervision and control system) AutoLog ® RTUs cùng với AutoLog ® ControlMan hoặc Web Studio SCADA với chi phí rất hiệu quả để giám sát và kiểm soát Các RTU có thể gửi dữ liệu đo lường thông qua GSM, điện thoại và mạng internet Chi tiết xem thêm ở http://www.ff-automation.com/successstories/water.shtml

Xem báo cáo dưới dạng bảng và đồ thị

Sản phẩm Symphonie iPacks Data Loggers của NRG Systems của Mỹ (US) http://www.nrgsystems.com/AllProducts/DataLoggers.aspx

Thiết bị SymphoniePLUS 15-channel data logger - No 4289 của NRG Systems

2 Digital inputs / Digital outputs - / -

3 Pulse inputs (counter inputs) 9 PI

5 Lưu trữ SL khi đường truyền bị ngắt / truyền

SL ngay khi có kết nối trở lại

NA

6 Thời gian lấy mẫu số liệu logging min / max 2 sec / 10 min

7 Bộ nhớ trong Non-volatile FLASH / khả năng

11 Nguồn pin bên trong / số giờ back up 1.5V

Thiết bị SymphoniePLUS hiện đã được công ty cổ phần Tân Trần Phương

và công ty cổ phần Thiết Bị KTTV & MT (HYMETCO) lắp đặt rất nhiều ở Việt

nam từ năm 2005 đến nay Các trạm thủy văn được lắp đặt phải kể đến là: Quan

Lạn Quảng Ninh 2005, Nghi Sơn Quảng Ngãi 2006, Tuy Phong Bình Thuận và

cửa khẩu Điện Biên 2009, Phước Minh Ninh Thuận và Đá Chông Ba Vì 2010

Ngoài ra còn có những sản phẩm của các hãng khác như Vaisala Phần Lan xem http://www.vaisala.com (Finland)

Các thiết bị kể trên chưa kèm theo sensors, các công ty trong nước thường nhập sensors của Young xem http://www.youngusa.com/

Kết luận:

- Thiết bị AutoLog® GSM-16 của FF-Automation tích hợp nhiều tính năng, hoạt động trên cở sở PLC tiện lợi cho người sử dụng, thiết kế chuyên cho thủy văn thủy lợi Phần mềm PC-based AutoLog® hoạt động hiệu quả, với nhiều tính năng Thiết bị được thiết kế với tính mở rất cao (PLC-based) tuy nhiên giá thành cũng rất cao

- Thiết bị SymphoniePLUS 15-channel data logger - No 4289 của NRG Systems tích hợp nhiều kênh do, có sẵn bộ nhớ MMC 32M, sử dụng pin 1.5V kèm theo HMI giao diện màn hình phím bấm Với thiết kế tương đối

mở, các Signal Conditioning Modules cho phép phối hợp với nhiều dải tín hiệu Tuy nhiên thiết bị chưa tích hợp GSM/GPRS và với giá tại Mỹ với cấu hình No 4289 là 1395 USD chưa kể vận chuyển và lắp đặt thì cũng là cao

Tình hình nghiên cứu trong nước

Các đề tài cấp Bộ của Viện Nghiên Cứu Điện Tử, Tin Học, Tự Động Hóa

- Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát từ xa các thông số thuỷ nông (giai đoạn I) năm 2003 do KS Lê Mạnh Hùng làm chủ nhiệm

- Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát từ xa các thông số thuỷ nông (giai đoạn II) năm 2004 do KS Lê Mạnh Hùng làm chủ nhiệm

Hai đề tài cùng tác giả đề cập vấn đề thiết kế thiết bị đo RTU với MCU là

AT89S8252 cùng với ROM, RAM, EEPROM, RTC, ADC để đo các thông số thủy nông hiển thị tại chỗ và truyền về trung tâm qua modem + đường dây điện thoai Tại trung tâm, đề tài cũng xây dựng phần mềm giám sát tập trung có tên

là AQUAMON Ver 1.03 và phiên bảng nâng cấp AQUAMON Ver 2.04

Đề tài đề cập nhiều đến thiết kế phần cứng, kết cấu bộ RTU, kết nối modem điền thoại về trung tâm giám sát tập trung Chưa đề cập đến kết nối không dây

và có khả năng sử dụng pin khi nguồn điện bị ngắt

- Nghiên cứu, thiết kế hệ thống giám sát từ xa các thông số cho trạm bưu điện vệ tinh năm 2004 do KS Tạ Ngọc Hà làm chủ nhiệm

Đề tài đề cập đến hệ thống giám sát các thông số môi trường và điều kiện làm việc của các trạm BTS sử dụng các PLC phân tán tại các trạm BTS để đo các thông số: nhiệt độ, độ ẩm, ngập nước, khói, cháy, điện cấp, cửa mở và điều khiển 2 điều hòa, ảnh báo đèn, còi Truyền về máy tính trung tâm sử dụng phần mềm WINCC thông qua mạng điện thoại có sẵn, sử dụng modem EM241 với giao thức MODBUS Mục đích lưu trữ số liệu và cảnh báo khi có sự cố xảy ra tại trạm BTS

Đề tài đã đề cập đến hệ giám sát tập trung, nhưng chưa sử dụng liên kết không dây, và tại trạm làm việc sử dụng PLC cùng với các module của Siemens tương đối đắt tiền

- Thiết kế chế tạo hệ thống thu thập dữ liệu nhiều kênh dùng mạng không dây năm 2005 của ThS Mai Văn Tuệ

Đề tài sử dụng chip nhúng họ ARM7 của Philips để xây dựng các RTU do lường & điều khiển Các RTU liên kết về trung tâm thông qua RF (140MHz ~ 2.4GHz) sử dụng các module thu phát sóng X-STREAM của MAXSTREAM với cự ly liên lạc 5km (với ANT vô hướng) và 16km (với ANT định hướng) Với cự ly xa hơn đề tài đề cập đến các trạm lặp RPT, tất nhiên chấp nhận độ trễ tín hiệu Tại trung tâm sử dụng máy tính PC với phần mềm tự xây dựng quản lý toàn mạng theo kiểu Master-multislaver lấy dữ liệu về theo kiểu hỏi vòng

(polling) sử dụng protocol là Modbus

Đề tài đã đề cập đến chip nhúng và truyền số liệu không dây, khi lắp đặt phải khảo sát bản đồ địa hình, xác định các điểm đặt ANT và các trạm RPT Phải tính toán truyền sóng theo đường nhìn thắng (line of sight), chống sét cho thiết

bị và đăng ký chiếm dụng tần số Vì vậy tương đối phức tạc trong việc lắp đặt

SD với khuôn dạng FAT-32 Với protocol tự xây dựng và gói số liệu qua tin nhắn SMS, máy tính trung tâm sẽ nhận số liệu của các trạm khí tượng và được hiển thị lên màn hình giám sát tập trung

Đề tài đã đề cập đến chip nhúng và sử dụng GSM-modem để truyền số liệu qua GSM-SMS Vì vậy các bản tin bị giới hạn (160 char 7-bit) và các bản tin bị tính cước, vì vậy nếu số liệu phải truyền liên tục thì cước phí SMS cũng là một vấn

đề trong quản lý vận hành

Về dự án sản xuất thử nghiệm cấp nhà nước của Bộ Khoa Học và Công Nghệ

- Dự án „Hoàn thiện công nghệ thông tin tự động hóa để xây dựng hệ

thống thông tin quản lý cơ sở dữ liệu ngành thủy lợi phục vụ công tác phòng chống úng hạn nhằm ứng phó với tình hình biến đổi khí hậu“ năm

2009, chủ nhiệm dự án: ThS Nguyễn Quốc Hiệp thuộc TT Công nghệ Phần mềm Thủy lợi - Viện KH Thủy lợi Việt Nam

Dự án đã chế tạo 08 thiết bị RTU có tích hợp SMS và GPRS với 8AI, 8DI, 2PI, 8DO truyền số liệu về trung tâm theo ngưỡng thay đổi hoặc theochu kỳ thời gian định sẵn Thiết bị có nguồn nuôi là điện lưới hoặc pin mặt trời Dự án xây dựng bộ phần mềm quản lý cơ sở dữ liệu nhành thủy lợi

Dự án có thiết kế phần cứng RTU phức tạp, nhiều linh kiện tiêu thụ nhiều năng lượng và có giá thành khá đắt (khoảng 90 triệu đồng cho 1 thiết bị RTU)

Về các công trình triển khai thực tế:

- Với hệ thống quản lý thuỷ nông sử dụng PLC và module GSM của Siemens: công trình hồ chứa nước Định Bình (Bình Định) với giá trị đầu tư hơn

3 tỷ đồng, hồ chứa nước Cửa Đạt (Thanh Hoá) với giá trị đầu tư 4.6 tỷ riêng cho

hồ đập và với giá trị đầu tư trên kênh khoảng 4 tỷ chưa triển khai

- Với hệ thống quản lý sử dụng công nghệ nhúng: công trình thủy lơi sông Quao (Bình Thuận), sông Chu (Thanh Hoá), Đô lương (Nghệ An) do Công ty Điện Tử Hà Nội (HANEL) thi công Công trình sử dụng công nghệ nhúng họ

8051 sử dụng mạng VHF + radio modem để truyền tin

- Các công trình khác chỉ đo, thu thậpvà quản lý số liệu tại chỗ như: công trình thủy lợi sông Sào (Nghệ An), Phú Xuyên (Hà Tây) do Công ty Cơ điện Nông nghiệp Thủy lợi 4 thi công Công trình cũng sử dụng chip nhúng họ 8051 nhưng không có liên kết không dây (radio)

- Các công trình thủy lợi do Viện Điện tử, Tin học, Tự động hóa (Vielina) thi công trong thời gian gần đây phải kể đến là: công trình thủy lợi Tắc Giang, Phủ Lý (Hà Nam), Trà Linh (Thái Bình) Công trình đã sử dụng cả chip nhúng

và PLC phối hợp để đưa số liệu về PC tổng hợp và quản lý

- Ngoài ra phải kể đến rất nhiều công trình khác đã ứng dụng công nghệ nhúng như: công trình thủy lợi Nam Hồng - Ấp Bắc (Hà Nội), nam sông Mã & bắc sông Mã (Thanh Hoá)

CHƯƠNG I: KHẢO SÁT

I-1 Đặt vấn đề

Các thiết bị đo lường và giám sát từ xa nhìn chung đều có các tiêu chí sau:

- Đo các thông số môi trường: dạng tín hiệu tương tự (dòng điện hay điện

áp); dạng tín hiệu số (đo tần số xung, đo trạng thái logic ON hay OFF)

- Xác định vị trí điểm đo nhằm mục đích đánh dấu trên bản đồ địa hình Có

nhiều phương pháp: GPS, GSM (mã cells) hoặc gán địa chỉ Trường hợp

đề tài đề cấp đến là gán địa chỉ, vì vị trí lắp đặt đã được xác định

- Thiết lâp đường truyền về trung tâm: điện thoại cố định, đường truyền vô

tuyến (radio link) và GSM (SMS hoặc GPRS)

- Xây dựng phần mềm giám sát trung tâm nhằm mục đích thu thập số liệu,

hiển thị vị trí trạm đo trên bản đồ vận hành hệ thống, lưu trữ kết quả đo

theo thời gian (time stamp) và chiết suất ra báo cáo dạng bảng hay đồ thị

theo yêu cầu của cán bộ vận hành

Chính vì những lý do trên, đề tài tìm hiểu và đánh giá các thiết bị RTU phổ biến

trên thị trường, đánh giá các tiêu chí để tìm ra hướng thiết kế một hệ tương đối

tổng quát, dễ dàng phát triển nâng cấp phục vụ nhiều đối tượng khách hàng

Số kênh

Đơn

vị đo Dải đo

Độ chính xác

Số kênh

Đơn

vị đo Dải đo

Độ chính xác

2 Đo độ mở AI 7* m 0~6 ±0.01

(*) 7 cửa cống là công trình đầu mối có số cửa nhiều nhất

Qua tìm hiểu ở trên và qua nhiều bài toán thực tế thì các hệ đo lường và giám

sát chủ yếu nhận các tín hiệu đầu vào là dạng tín hiệu tương tự (AI) và dạng

đếm xung (PI), cũng có nhiều trường hợp là dạng tín hiệu số (logic) vào/ra

(DI/DO) Nhưng với bài toán đo lường và giám sát thì số kênh đầu vào AI và PI

là quan trọng Thiết kế thiết bị đo lường và giám sát sao cho có thể tùy biến số

đầu vào (cấu hình tối thiểu và cấu hình mở rộng ) Phần giao tiếp với trung tâm

để trao đổi dữ liệu được thưc hiện qua đường truyền điện thoại, radio link hoặc

công nghệ ngày nay là GSM/GPRS Một số thiết bị RTU đưa ra giải pháp lưu

thẻ nhớ theo định dạng FAT32 để cán bộ vận hành mang về trung tâm đọc vào

máy tính

Với phân tich ở trên thì nhiệm vụ là phải đi tìm một bài toán thu thập số liệu,

một nhu cầu thực tế rất cần thiết, một nhu cầu thu thập dữ liệu môi trường trên

diện rộng trải dài qua nhiều tỉnh thành hoặc khắp cả nước để xây dựng các trạm

thu thập số liệu có kết nối về trung tâm nhằm xây dựng một hệ đo lường và

giám sát tập trung tại trung tâm vận hành

Để giải quyết bài toán trên cũng là thực hiện nhiệm vụ của đề tài, nhóm nghiên

cứu đã tập trung chọn mô hình đo lường và giám sát các cụm đầu mối thủy nông

trong việc phân phối nước trong cả một vùng rộng lớn, góp một phần tích cực

vào công việc quản lý nước một cách hiệu quả cũng như trợ giúp cán bộ vận

hành dự báo được lũ trên thượng lưu cũng như dự báo ngập úng vùng hạ du

Sau đây sẽ phân tích một số công trình thủy lợi trọng điểm nằm ở khu vực miền

bắc nước ta

I-2 Các vấn đề tồn tại trong các công tác quản lý và vận hành công trình

thủy nông

Công tác vận hành hệ thống thủy nông được chia thành 3 vấn đề chính: vận

hành công trình đầu mối, vận hành các công trình trên kênh và điều hành lấy

nước vào ruộng

I-2.1.Vận hành công trình đầu mối:

Được chia thành 3 loại chủ yếu: công trình đầu mối hồ chứa, công trình đầu mối

trạm bơm và công trình đầu mối là cống lấy nước vùng triều

1 Với công trình đầu mối lấy nước hồ chứa

Cả nước có khoảng 5470 hồ chứa thủy lợi trong đó có 98 hồ chứa lớn hơn

10triệu m3, 706 hồ chứa lớn hơn 1 triệu m3 còn lại có dung tích 0.2 đến 1 triệu m3 Các hồ chứa góp phần quantrọng trong việc cắt lũ, chậm lũ giảm nhẹ thiên tai trong vùng mưa bao và cấp nước phục vụ sản suất nông nghiệp, công nghiệp

và sinh hoạt cho hạ du Tuy nhiên nhưng năm gần đây rừng đầu nguồn đã và đang bị tàn phá nặng nề, cộng với tình hình biến đổi khí hậu toàn cầu làm thay đổi các quy luật về thủy văn, về dòng chẩy đến các hồ chứa trong khi đó các công cụ hỗ trợ để giúp cán bộ quản lý tính toán điều hành hồ rất đơn giản hoặc không có, chủ yếu là theo kinh nghiệm Việc điều hành hồ chứa đã bộ lộ một số hạn chế sau:

- Không có công cụ để tính toán dòng chảy đến hồ, dự báo ngập lụt phía hạ

du hồ ứng với các phương án tràn xả lũ, nên việc ra lệnh điều hành hồ gặp rất nhiều khó khăn, không đảm bảo an toàn cho công trình cũng như vùng

hạ du hồ chứa

- Không có công cụ giám sát hình ảnh công trình, giám sát tức thời các thông số mực nước hồ, mực nước sau tràn, mực nước sau cống, độ mở cửa tràn, cửa cống, nên việc đưa ra các quyết định điều hành hồ khó có thể kịp thời

- Vào mùa mưa bão, công nhân phải ra các tủ điều khiển tại chỗ cửa tràn, cửa cống để điều khiển đóng mở, nên không an toàn lao động

Vì vậy, vấn đề làm thế nào để điều hành hồ chứa an toàn về công trình, an toàn cho hạ du hồ nhưng vẫn đảm bảo nhiệm vụ tích nước phục vụ phát điện, sản xuất nông nghiệp đang là vấn đề bức xúc của thực tế hiện nay

2 Công trình đầu mối là trạm bơm

Cả nước có khoảng 2000 trạm bơm điện lớn và vừa có công suất 450MW Các trạm bơm điện là giải pháp cung cấp nước chủ yếu cho các hệ thống thủy nông vùng đồng bằng, nơi không thể làm hồ chứa Công tác quản lý, điều hành trạm bơm có một số hạn chế như:

- Công tác giám sát mực nước bể xả, bể hút, thời gian vận hành của các tổ máy thường ghi chép vào sổ sách (thủ công) Cán bộ kỹ thuật không có số liệu tức thời nên không biết được lưu lượng mà trạm bơm đang cung cấp nên không thể điều hành đóng mở cống lấy nước kịp thời để đảm bảo giữ được mực nước trên kênh

- Không có công cụ giám sát các thông số vận hành của máy bơm như lỗi quá nhiệt, lỗi độ ẩm, lỗi khởi động nên việc vận hành máy bơm đảm bảo an toàn gặp nhiều khó khăn

3 Đối với công trình đầu mối là cống lấy nước vùng triều

Biến đổi khí hậu làm nhiệt độ tăng cao và nước biển dâng, dẫn đến: suy giảm tài nguyên nước, dòng chảy ăm giảm, dòng chảy kiệt suy giảm lớn hơn (giảm từ -2% đến -24%) độ mặn xâm nhập sâu vào cửa sông

Việc mặn xâm nhập sâu vào các cửa sông đã ảnh hưởng rất lớn đến sản xuất nông nghiệp Do đó, vấn đề đặt ra là cần phải giám sát độ mặn chặt chẽ để lấy được lớp nước ngọt từ các sông vào đồng phục vụ sản suất nông nghiệp, tránh

bị ảnh hưởng mặn làm giảm năng suấ cây trồng

Hiện nay các công ty khai thác công trình thủy lợi vùng ảnh hưởng mặn như Công ty KTCTTL Hải Hậu, Công ty TNHH 1TV KTCTTL Xuân Thủy chủ yếu đối phó với hiện tượng xuân nhập mặn bằng biện pháp thủ công Vào thời

kỳ lấy nước có ảnh hưởng mặn, công nhân phải trực liên tục 24/24h, cứ 5-10 phút lấy mẫu một lần để thử nghiệm bằng hóa chất Biện pháp này thường cho kết quả không chính xác, công nhận phải làm việc vất vả và gây ô nhiễm môi trường

I-2.2.Vận hành các công trình trên kênh

Từ năm 2008 đến nay người nông dân được miễn thủy lợi phí Theo quy định của nhà nước, các công ty KTCTTL chỉ quản lý kênh chính, các kênh cấp 1 và cống đầu các kênh cấp 2, còn các kênh cấp 2 trở xuống thì các hợp tác xã phải quản lý điều hành tưới Hiện tượng các HTX lấy thừa nước rồi chạy xuống kênh tiêu, khi đòng ruộng hết ước lại yêu cầu các công ty KTCTTL cấp nước, do không có công cụ để kiểm soát lượng nước lấy qua các cống đầu kênh cấp 2, nên tình trạng công ty KTCTTL bảo cấp đủ nước, các HTX thì bảo chưa sảy ra khá phổ biến

Để giải quyết vấn đề trên Bộ NN và PTNN đã có thông tư số: BNNPTNT ngày 12/10/2009 V/v hướng dẫn tổ chức hoạt động và phân cấp quản lý, khai thác công trình thủy lợi Trong điều 10 chương II của thông tư này nêu rõ: khuyến khích các tổ chức quản lý, khai thác công trình thủy lợi cung cấp nước tại các điểm giao nhận nước theo khối lượng và thanh toán tiền theo khối lượng nước cung cấp bình quân cho 1ha Nhưng vấn đề đặt ra cho các công ty KTCTTL là làm thế nào để kiẻm soát nước phân phối trên hệ thống kênh tưới

65/2009/TT-để xác định được khối lượng nước cung cấp tại các điểm giao nhận nước

I-2.3.Vận hành lấy nước vào ruộng

Hiện nay, nông dân tự lấy nước vào ruộng bằng các ống sành, ống nhựa PVC hoặc đục lỗ trực tiếp bờ kênh Khi không cần lấy nước thì dùng rơm hoặc đất bịt

lỗ lại Việc lấy nước theo cách này tồn tại một số vấn đề sau:

- Đối với mỗi một giống lúa, các nhà khoa học đều nghiên cứu xác định chế độ tưới cho từng thời kỳ sinh trưởng (gọi là công thức tưới tăng sản)

để đảm bảo cây trồng có năng suất cao nhất Tuy nhiên nếu lấy nước theo

cách này thì nông dân không thể thực hiện được, thường lấy nước chảy tràn lan gây lãng phí nước và cây trônhf không đạt năng suất cao nhất

- Trong trường hợp cây trồng là cây màu thì rất hay xẩy ra hiện tượng lấy nước nhiều quá gây ngập úng

I-3 Giải pháp hiện đại hóa công tác quản lý, điều hành hệ thống thủy nông

I-3.1 Hiện đại hóa công tác vận hành công trình đầu mối hồ chứa

Xây dựng hệ SCADA quan trắc các thông số từ xa thời gian thực:

- Đo lượng mưa lưu vực, hạ du hồ

- Đo mức nước hồ

- Độ mở cửa tràn, cửa cống

- Điều khiển đóng mở các cửa tràn, cửa cống

- Xây dựng phần mềm điều hành hồ chứa thời gian thực, dự báo lũ, dự báo ngập lũ phía hạ du hồ

I-3.2 Hiện đại hóa công tác quản lý vận hành công trình đầu mối là trạm bơm

Xây dựng hệ SCADA giám sát điều khiển tại chỗ và từ xa thời gian thực:

- Đo mức nước bể hút, bể xả trạm bơm

- Giám sát các trạng thái vận hành trạm bơm ( nhiệt độ, độ ẩm, quá trình khởi động )

- Bàn điều khiển tại chỗ và trung tâm

- Máy vi tính + phần mềm giám sát và điều khiển hệ thống đặt tại phòng điều khiển của nhà quản lý

- Hệ thống camera giám sát, ghi hình hiẻn thị lên màn hình lớn đặt tại trung tâm điều hành

I-3.3 Hiện đại hóa công tác quản lý vận hành công trình đầu mối là cống lấy nước vùng triều

Xây dựng hệ SCADA giám sát điều khiển tại chỗ và từ xa thời gian thực:

- Thiết bị đo mức nước thượng hạ lưu cống

- Thiết bị đo độ mở cửa cống

- Thiết bị đo độ mặn

- Thiết bị điều khiển đóng mở cửa cống

- Bàn điều khiển tại chỗ và trung tâm

- Máy vi tính + phần mềm giám sát và điều khiển hệ thống đặt tại phòng điều khiển của nhà quản lý

I-3.4 Hiện đại hóa công tác quản lý vận hành công trình trên kênh và mặt ruộng

Xây dựng hệ SCADA giám sát điều khiển tại chỗ và từ xa thời gian thực:

- Thiết bị đo mức nước trên kênh tưới

- Thiết bị đo mức nước mặt ruộng

- Hệ thống pin mặt trời + ắc qui tích điện

- Máy vi tính trung tâm + phần mềm giám sát điều khiển hệ thống tưới

- Phần mềm tính toán hỗ trợ điều hành hệ thống thủy nông

Kết luận:

- Hệ thống thông tin giám sát tập trung hay điều độ tập trung các công trình

từ hồ chứa, trạm bơm, trênh kênh chính kênh nhánh đến tận mặt ruộng sẽ giúp công ty KTCTTL giám sát được mọi thông tin thời gian thực, giám sát hình ảnh thời gian thực Các thông tin tại công ty KTCTTL cũng sẽ được kết nối Internet để các cấp lãnh đạo có quyền có thể giám sát và điều khiển được nhằm phòng chống lũ, thiên tai kịp thời

- Dựa trên cơ sở dữ liệu thời gian thực của hệ thống vận hành thủy nông, các phần mềm giá trị gia tăng sẽ được tích hợp vào hệ thống như: dự báo

lũ, dự báo dòng chảy đến hồ, dự báo ngập lụt phía hạ du hồ

- Cũng dựa trên cơ sở dữ liệu thời gian thực kể trên, công ty KTCTTL có thể quản lý nước rất chặt chẽ, tránh lẵng phí nguồn nước, cấp nước đúng

đủ theo yêu cầu của từng loại giống cây trồng

Nhiệm vụ đặt ra là khảo sát các nhu cầu thực tế của khách hàng, nhóm thực hiện

đề tài đã thực hiện công việc khảo sát ở hai công trình trọng điểm của Việt nam

ở các tỉnh phía bắc là: công trình thủy nông sông Chu và công trình thủy nông Bắc-Hưng-Hải Sau đây là số liệu cụ thể của 2 công trình:

I-4 Khảo sát nhu cầu thực tế một số công trình thủy lợi trọng điểm ở miền Bắc nước ta

I-4.1 Công trình thủy nông sông Chu

Hệ thống thủy nông sông Chu Thanh Hóa có khu vực tưới 72000ha thuộc các huyện Đông Sơn, Thiệu Sơn, Thọ Xuân, Quảng Xương, Nông Cống và TP Thanh Hóa với qui mô:

Công trình đầu mối

- Đập dâng Bái Thượng: bê tông dài 170m dâng nước (+11.00 ~

+16.00)m

- Cống xả cát

- Cống lấy nước 7 cửa (2x2.9)m cho lưu lượng lớn nhất 50.00m3/s

Hệ thống kênh chính dài 19.20m (tính từ Bái Thượng đến Phúc Như)

- Đập Bàn Thạch: điều tiết nước cho các khu tưới thuộc kênh chính

- Cống lấy nước Bàn Thạch 6 cửa (1.2x1.9)m cho lưu lượng lớn nhất

44.46m3/s

Hệ thống kênh Bắc

- Cụm Phong Lạc có đập dâng và cống lấy nước 6 cửa (1.2x2.45)m cho

lưu lượng lớn nhất 28.62m3/s

- Cống lấy nước Qui Xá có đập dâng và cống lấy nước 3 cửa (1.2x1.7)m

cho lưu lượng lớn nhất 17.32m3/s

- Cống lấy nước Lộc Giang có đập dâng và cống lấy nước 4 cửa

(1.25x2.83)m cho lưu lượng lớn nhất 9.15m3/s

- Cống lấy nước Quan Am có đập dâng và cống lấy nước 4 cửa trong đó

2 cửa (1.1x0.9)m và 2 cửa (1.4x0.9)m cho lưu lượng lớn nhất

- Cụm Phương Khê có cống lấy nước 2 cửa (1.2x1.0)m

- Cống Cổ Định có cống lấy nước 1 cửa (1.2x1.0)m cho lưu lượng lớn

- Lắp đặt thiết bị RTU nhận tín hiệu từ các sensor đo mức nước (UWL, DWL) các sensor đo độ mở cửa cống (GP) sensor đo mưa (TF) hiển thị lên màn hình LCD của RTU để cán bộ vận hành thường xuyên độc được

- Tự động lưu trữ số liệu vào bộ nhớ tại chỗ 4 lần ngày (1:00, 7:00, 13:00

và 19:00)

- Có giao diện HMI để cán bộ vận hành đọc số liệu, cài đặt các tham số và calib hệ thông

- Có kết nối với trung tâm qua GSM/GPRS

Tại trung tâm điều hành:

- Thiết lập mạng thông tin thời gian thực đến 10 cụm đầu mối có chức năng: thu thập số liệu, quản lý số liệu, giám sát sự điều khiển từ trung tâm

- Xây dựng phần mềm quản lý vận hành hệ thống thủy nông sông Chu dựa trên cơ sở qui trình vận hành hệ thống thủy nông sông Chu nhằm khai thác tối ưu nguồn nước và đảm bảo an toàn cho công trình

- Thời gian làm việc 24/24 có khả năng hoạt động tiếp tục khi nguồn điện lưới bị cắt, thời gian làm việc có thể đến 12h

- Tại phòng điều hành TT có màn hình LCD lớn mô tả toàn bộ hoạt động thời gian thực của hệ thống thủy nông sông Chu tại 10 cụm đầu mối với các thông số như UWT, DWT, GP và TF Có thể ước lượng việc tính lưu lượng Q, tuy nhiên việc này phụ thuộc nhiều vào kết cấu cống điều tiết, cần đến thuật toán và giải thuật thủy lực phức tạp hơn

- Có khả năng phát triển mở rộng hệ thống trong tương lai

I-4.2 Công trình thủy nông Bắc Hưng Hải

Hệ thống thủy lợi BHH bao gồm toàn bộ hoặc một phần của bốn tỉnh, gồm hai quận Đông Nam Hà Nội, toàn bộ tỉnh Hưng Yên, 7 huyện thuộc tỉnh Hải Dương

và 3 huyện thuộc tỉnh Bắc Ninh Tổng diện tích tự nhiên trong đê là 192,045ha, trong đó 142,479 ha được sử dụng cho mục đich nông nghiệp Với khoảng 2.2 triệu người làm nghề nông

BHH được chia làm 10 tiểu vùng: Gia Lâm, Gia Thuận Châu Giang, Bắc Kim Sơn, Cẩm Giàng – thành phố Hải Dương, An Thi, Bình Giang – Bắc Thanh Miện, Tứ Lộc (Gia Lộc – Tứ Kỳ), Tây Nam Cửu An, Đông Nam Cửu An Tổng diện tích khống chế nằm trong hệ thống đê chính có xu hướng dốc xuống theo hướng Tây Nam – Đông Nam

Hệ thống thủy lợi BHH rất phức tạp, cả về cơ sở hạ tầng và công tác quản lý vận hành và bảo dưỡng Hệ thống thủy lợi BHH là một hệ thống kết hợp, bao gồm hệ thống sông/kênh được sử dụng cho cả mục đích tưới và tiêu

Khu vực BHH được bao bọc bởi các con sông: sông Hồng (phía Đông), sông Đuống (phía Bắc), sông Thái Bình (phía Tây) và sông Luộc (phía Nam) Trong

hệ thống thủy lợi BHH, một mạng lưới sông, kênh cấp một, cấp hai, cấp ba và cấp bốn được sử dụng để tưới tiêu

Thực trạng các cống điều tiết và đặc điểm như sau

Tên Sông Loại công

trình

Đặc điểm Báo Đáp

(1959)

Kim Sơn Cống điều

tiết và âu tàu

Kiểm soát mực nước ở thượng lưu để giảm bớt sự chênh lệch giữa mực nước thượng lưu và mực nước hạ lưu tại cống Xuân Quan

Kim Sơn Cống điều

tiết và âu tàu • 6 cửa với kích thước 3.2 x 3.7 m

Cống lấy nước • Vận hành: bằng tay

tiết và âu tàu • Vận hành: bằng tay

• 5 cửa với kích thước 8 x 4.5 m

• 1 âu tàu 5 x 6 m Thực trạng các cống tiêu và đặc điểm như sau

Cầu Xe Tự tiêu thoát nước (tự chảy) từ hệ

thống BHH tự chảy ra sông Thái Bình

Trong suốt mùa khô, cống lấy nước

cho khu vực Đông Nam của hệ thống

bằng cách lợi dụng triều

• Xây năm 1966-1969

• 6 cửa

• 1 âu tàu: 5.8 x 8 m

An Thổ Tự tiêu thoát nước (tự chảy) từ hệ

thống BHH tự chảy ra sông Luộc

Trong suốt mùa khô, cống lấy nước

cho khu vực Đông Nam của hệ thống

Các công trình này được sử dụng nhằm điều tiết mực nước trong hệ thống BHH Các đơn vị vận hành đo mực nước và gửi số liệu về Công ty Quản lý và Khai thác Công trình Thủy lợi BHH Công ty QLKTCTTL thông báo với các đơn vị vận hành về cách thức vận hành công trình, cách mở và đóng công trình, và mực nước cần duy trì Một số cống lấy nước như cống Kẻ Sặt và Lực Điền là các cống mở hoặc đóng hoàn toàn

Việc vận hành các công trình trong hệ thống BHH được quy định trong Quyết định 807 QD/TN từ năm 1985 [1] Quyết định này đưa ra những chỉ dẫn về duy trì mực nước trên hệ thống BHH Quyết định này dựa trên:

• Vụ đông xuân từ 1/10 đến 31/5 năm sau

• Vụ hè thu từ 1/6 đến 30/9

Các quy trình vận hành này vẫn còn áp dụng cho đến nay Đôi khi, người ta cũng cho phép các công trình được vận hành tùy theo điều kiện thời tiết và nhu cầu mà trong một thời gian ngắn hơn mực nước thấp hơn hoặc cao hơn một chút Tuy nhiên, giai đoạn này là rất ngắn và cuối cùng thì vẫn tuân thủ theo Quyết định [1]

Không phải tất cả các công trình (các cửa) đều được vận hành bằng động cơ điện Cống Bá Thủy, cống Neo và cống lấy nước Kẻ Sặt được vận hành bằng tay Phải mất 5-6 tiếng để mở toàn bộ các cửa của cống Neo

Về liên lạc

Điện thoại cố định và điện thoại di động là các phương tiện liên lạc chủ yếu giữa các đơn vị vận hành và các nhà quản lý hệ thống Các nhà quản lý hệ thống đưa ra các hướng dẫn cho các đơn vị vận hành tại các nhà quản lý thông qua điện thoại liên lạc hàng ngày hoặc trong những trường hợp cần thiết Cán bộ các đơn vị vận hành có thể sử dụng điện thoại liên lạc với phía nhà quản lý khi muốn thông báo về tình hình hệ thống Một cách liên lạc khác nữa là văn bản thông báo chính thức – thường không được sử dụng trong liên lạc hàng ngày khi vận hành công trình hoặc các bản hướng dẫn chép tay được lưu trong sổ theo dõi tại mỗi công trình

Nhìn chung, những cách thức liên lạc này hoạt động khá tốt mặc dù đã lỗi thời,

dễ xảy ra sai xót, và phụ thuộc nhiều vào mạng lưới viễn thông không phải lúc nào cũng đáng tin cậy Do đó, xuất hiện một nhu cầu rõ ràng về giải pháp nhằm nâng cao và hiện đại hóa các phương thức liên lạc sử dụng trong hoạt động quản

lý hệ thống BHH

Về đo lường

Mực nước: được đo bằng thước và thủy chí

Lưu lượng: không được thực hiện, về cơ bản, không có số liệu về lượng

nước vào và ra khỏi hệ thống hay lưu lượng nước được phân phối ra sao

Độ mở cống: được xách định bằng các phương thức đo lường đơn giản

Chất lượng

nước

do hầu hết các cây trồng đều rất nhạy cảm với độ mặn, nên việc xác định được độ mặn trong nước dẫn vào hệ thống có ở mức chấp nhận được hay không la rất quan trọng, nhằm tránh những thiệt hại về mùa màng

Khi lấy nước vào, đơn vị khai thác tiến hành đo độ mặn ở hạ lưu của cống Cầu Xe Đơn vị vận hành này sẽ đo 3 lần/ngày

và chuyển số liệu đo lường cao nhất của từng ngày cho trung tâm Các phương pháp đo lường được tiến hành bằng dụng cụ

đo WQC-20A (của Nhật) và số liệu đo lường được ghi chép

vào sổ theo dõi

Những vấn đề chính bắt nguồn từ hoạt động vận hành và đo lường hiện tại

• Thiếu báo cáo tổng quát (hàng ngày) về tình hình vận hành hệ thống BHH

• Chậm trễ trong công tác vận hành và phân phối nước trong hệ thống

• Chậm trễ trong công tác vận hành khẩn cấp khi xảy ra thiên tai (mưa bão, ngập lụt)

• Độ chính xác và tin cậy của các số liệu chưa đáp ứng tiêu chuẩn và – trong bất kỳ trường hợp nào – rời rạc, do vậy rất khó chia sẻ với các bên hưởng lợi

• Thiếu các thiết bị đo lường lưu lượng, không ghi chép được lượng nước vào và ra khỏi hệ thống; các thông số này rất quan trọng để tính toán cân bằng nước và hiệu quả của hệ thống

Để đảm bảo quản lý an toàn và hiệu quả đối với một hệ thống tưới như hệ thống BHH thì không được phép để tồn tại những hạn chế vừa nêu trên Cách thức thu thập, chuyển giao, xử lý và phân bổ số liệu cần được nâng cấp Do đó, cần lắp đặt thêm các thiết bị đo lường, điều khiển trong hệ thống và tích hợp các thiết bị này thành hệ thống SCADA

Các tham số cần được hệ thống SCADA đo đạc

TT Công trình Chức Năng UWL DWL LL GP CLN Moto

r

7 Cau Xe

Tiêu Lấy nước ngược

8 An Tho

Tiêu Lấy nước ngược

Qua các phân tích kể trên, ngành thủy nông nước ta cũng như nhiều nhành kinh

tế khác như đo đạc số liệu thủy văn, số liệu thăm do địa chất rất cần đến đo lường và giám sát số liệu từ xa để phục vụ công tác quản lý vận hành Việc đo lường số liệu và hiển thị tại chỗ hiện nay với công nghệ thì không có gì mới mẻ, nhưng nếu việc kết nối và truyền số liệu về trạm trung tâm một cách hiệu quả thì việc chọn giải pháp GSM/GPRS như phần mở đầu đã trình bày là một giải pháp kinh tế hữu hiệu và việc tích hợp hệ thống đo lường với hệ thống truyền tin GSM/GPRS thành một hệ duy nhất với thiết kế sử dụng công nghệ nhúng hoạt động ổn định thì sản phẩm sẽ có tính cạnh tranh rất cao và cũng tùy biến trong việc xây dựng cấu hình hệ thống Vì vậy tiêu chí của nhóm nghiên cứu là:

- Sử dụng thiết kế công nghệ nhúng

- Sử dụng chip GSM/GPRS hoặc module

- Tích hợp hệ nhúng và GSM/GPRS module thành 1 hệ RTU làm việc tại trạm, tự động trao đổi số liệu với trung tâm qua GPRS

- Xây dựng phần cứng với tính dễ dàng nâng cấp, dễ cài đặt, đẽ quản lý và chịu được môi trường khắc nhiệt

- Xây dựng phần mềm quản lý và điều khiển trung tâm với giao diện GUI tiếng Việt thân thiện gần gũi với cán bộ vận hành địa phương

- Năng lượng tiêu thụ thấp, có nguồn ắc-qui dự phòng để đảm bảo tiếp tục theo dõi giám sát khi nguồn điện bị mất

- Giá thành phần cứng, phần mềm hợp lý cùng với giá cước GPRS ở mức chấp nhận được, không vượt quá 100.000VNĐ/tháng tiền cước cho một trạm làm việc

Vì vậy có thể xây dựng qui mô phần cứng của RTU và cấu hình của hệ thống đo lường giám sát từ xa qua đường truyền GSM/GPRS như sau:

- RTU tại trạm làm việc

+ Đầu vào tương tự (dòng điện, điện áp) 2-kênh (thêm 8-kênh mở rộng)

- Trung tâm giám sát và điều hành tập trung

+ Trang bị một máy tính cá nhân + máy in phục vụ in ấn các báo cáo + Trang bị một màn hình LCD lớn để trợ giúp việc giám sát

+ Trang bị cổng kết nối Internet để phục vụ việc kết nối số liệu từ các trạm làm việc về TT theo giao thức TCP/IP và cũng để phục vụ việc chia sẻ thông tin lên mạng

+ Xây dựng phần mềm thu thập số liệu và giám sát tập trung với qui mô

số các tạm làm việc lên tới 250

+ Trang bị thiết bị lưu điện UPS

CHƯƠNG II: CHỌN GIẢI PHÁP, PHƯƠNG ÁN

THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ

II-1 Phân tích thiết kế:

1) Mục tiêu, tiêu chí, tính năng chính của sản phẩm

Tại trạm làm việc

TT Chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu SL Giải pháp Chọn linh kiện

1 Analog inputs / độ phân dải

10AI/12-bit

ADC / Serial MCP3202/MCP320

8

2 Digital inputs / Digital outputs 8DI/8DO Port expander PCF8574 của NXP

3 Pulse inputs (counter inputs) 2 PI Built-in MCU

4 Kết nối GSM SMS/GPRS Y/Y Module M590 / SIM300D

5 Lưu trữ SL khi đường truyền bị ngắt /

truyền SL ngay khi có kết nối trở lại

7 Giao diện người máy (HMI) Y LCD + 6 key

8 Nguồn cấp AC / DC Y/Y 230V / 12V Biến áp hạ áp, cầu

VLED, VANA) TPS7148Q cho điện áp ra 4.8V

7 Có phím đóng mở nguồn, tự động tắt

nguồn khi điện áp thấp Mạch logic, relay, kết hợp với MCU, sử dụng 2-port của MCU PWR, LVD

8 Có khả năng đồng bộ lưới điện AC Mạch transistor jumper với

Khối MCU (1)

1 Điều khiển mọi hoạt động của trạm P89V51RD2 40-pin

2 Giao tiếp màn hình hiển thị Màn hình LCD 20x04 P00~P07

P24~P27

3 Giao tiếp với bàn phím keypad 6-keypad hoạt động kiểu quét P20~P23

4 Giao tiếp với ADC, RTC, Eeprom,

Port expander thông qua SPI / I2C Xây dựng DRV P11~P17

5 Sử dụng 1 buzzer để thông báo Sủ dụng port của MCU P10

6 Giao tiếp với GSM module thông

qua cổng RS-232 hoặc giao tiếp ra

bên ngoài thông qua cổng RS-232 /

RS-485

Sử dụng các chip chuyển mức tín hiệu chuẩn RS-232 / RS-485

RXD TXD CTS RTS

7 Nhận tín hiệu pulse input Sử dụng cách ly quang

opto-isolated

INT0 / INT1

lưới để chuyển RTU từ Save mode

sang Normal mode

Sử dụng mạch transistor /INT1

10 Điều khiển đèn led 2 màu để báo

tình trạng của RTU-GSM như có

sóng, bận truyền nhận tin hay

P89V51RD2 features

• 80C51 Central Processing Unit

• 5V Operating voltage (max 40MHz)

• 64kB of on-chip Flash user code with ISP and IAP functions

• Supports 12-clk and 6-clk mode

• SPI and enhanced UART

• PCA (Programmable Counter Array) with PWM and Capture/Compare functions

• 32 I/O ports

• 3 x 16-bit timers/counters

• Programmable watchdog timer

• 8 interrupt sources with 4 priority levels

• Second DPTR register

• Low EMI mode (ALE inhibit)

• TTL and CMOS compatible logic levels

• Brown-out detection

• Low power mode (* Power-down mode with external interrupt wake- up; ** Idle mode)

Khối RTC, NV MEMORY, SERIAL PORT (2) (3) (4)

MCU

1 Chạy đồng hồ (clock & calendar)

ngay cả khi tắt nguồn nuôi

Sử dụng chip RTC giao tiếp I2C BUS DS1307 và battery back-up

SCL SDA

2 Lưu trữ data khi mất nguồn nuôi Sử dụng chip EEPROM giao tiếp

I2C BUS 24c256 SCL SDA

3 Giao tiếp với ngoại vị theo chuẩn

TT Nhiệm vụ Giải pháp Chân

MCU

1 Điều khiển 2 đèn led GRN & RED

(Control relay optional) Transistors PNPs & NPNs P22, P23

2 Có thể điều khiển thêm 2 đèn led

GRN & RED

Transistors PNPs & NPNs RTS, CTS

3 Nhận xung về MCU qua đường ngắt opto-isolated PC817 INT0, INT1

Khối GSM (6)

1 Sau khi được cấp nguồn, module kết

nối với nhà mạng, kết nối với SIM

thuê bao

GSM module M590 hoặc SIM300D

TXD, RXD CTS, RTS

2 Biến đổi nguồn từ 5V xuống 4.1V

Sơ đồ khối của GSM/GPRS module

So sánh chỉ tiêu kỹ thuật M590 và SIM300D

1 Dải tần làm việc (frequency) 900/1800 850/900/1800/1900

2 Độ nhạy máy thu -106dB -106dB

3 Công suất cực đại 2W (900)

1W (1800)

2W (850/900) 1W (1800/1900)

12 Circuit Switched Data CSD, USSD CSD, USD, non trasparent

mode

13 Supplementary Service Caller ID, Call transfer, Call

waiting, Three way calling

Caller ID, Call transfer, Call waiting, Three way calling

14 Voice FR, EFR, HR, AMR coding,

multi echo control

FR, EFR, HR coding, Echo suppression

15 Connector (Xuyên lỗ) Through hole (Linh kiện dán) SMT

Neo_M590 SIM300D Hình ảnh của module GSM/GPRS Neo_M590 và SIM300D

Khối Signal Conditioning, Lowpass filter, ADC (7) (8) (9)

1 Phù hợp tín hiệu với sensors đo bên

ngoài và chống sét cụ bộ

Sử dụng attenuator = resistor network và dập sét bằng MOV

2 Lọc thông thấp nhằm tránh nhiễu giả

(anti-aliasing)

Sử dụng KĐTT TLC2272 để làm LPF Butterworth 10Hz

3 Biến đổi ADC 12-bit đưa về MCU

sử dụng SPI

Sử dụng ADC LTC1298 /CS0, CLK

DIN, DOUT

II-2 Xây dựng sơ đồ nguyên lý

II-2.1 Khối điều khiển trung tâm (MCU)

- Sử dụng chíp vi khiển P89V51RD2 để điều khiển toàn bộ hoạt động của trạm

- Sử dụng giao diện HMI gồm màn hình LCD 20x4 chars và 6 phím bấm

- Có cổng mở rộng (J105) đề phát triển hệ thống

- Có cổng I2C BUS (bus nối tiếp J103 và J104) để phát triển hệ thống điều khiển

- Có cổng nạp ISP (J100) để phục vụ nâng cấp phần mềm

- Có các tiện ích khác: mạch contrast, backlit cho LCD; mạch buzzer

Hình II-2.1.1: Khối điều khiển trung tâm sử dụng MCU của NXP P89V51RD2

II-2.2 Khối RTC, NV MEMORY và SERIAL PORT

- Chạy đồng hồ sử dụng chip DS1307 (clock & calendar) ngay cả khi tắt nguồn nuôi giao tiếp với MCU qua I2C BUS

- Lưu trữ data khi mất nguồn nuôi sử dụng chip EEPROM 24c256 giao tiếp với MCU qua I2C BUS

Giao tiếp với ngoại vị theo chuẩn RS232 (MAX232) và RS485 (SN15176) qua cổng truyền thông MCU (TXD, RXD, CTS & RTS)

Hình II-2.1.2: Khối RTC, NV MEMORY và SERIAL PORT

II-2.3 Khối CTRL IN/OUT và khối nguồn

- CTRL IN: nhận tín hiệu xung đếm về 2 đường ngát của MCU là INT0 và INT1

- CTRL OUT: điều khiển 2 đèn led green và red

- Khối

nguồn

- Nhận nguồn điện 12~ và nguồn pin 8 cells Ni-MH

- Tự động nạp cho pin dự phòng khi có 12~

- Cấp 5V cho mạch ký hiệu VCC, LED và VANA

- Cấp -5V cho mạch ký hiệu VNEG

- Sử dụng phím mềm đóng mở nguồn và ngắt nguồn khỏi mạch khi nguồn nuôi thấp

Hình II-2.1.3: Khối CTRL IN/OUT và khối nguồn

II-2.4 Khối module GSM

- Module GSM M590 kết nối với MCU sử dụng chip MAX3232 giao tiếp serial port TXD, RXD, CTS và RTS

- Biến đổi nguồn 5V xuống 3.9 ~ 4.1V để phù hợp với module GSM

Hình II-2.1.4: Khối module GSM

II-2.5 Khối Signal Conditioning, Lowpass filter và ADC

- Signal Conditioning nhằm biến đổi mức tín hiệu phù hợp với mạch vào của RTU

- Lọc thông thấp (Lowpass filter) sử dụng KĐTT TLC2272 (mạch

Butterworth 10Hz) nhằm tránh nhiễu giả (anti-aliasing)

- Biến đổi tương tự số (ADC) sử dụng chip LTC1298 đưa về MCU qua SPI port (/CS0, CLK, DIN và DOUT)

Hình II-2.1.5: Khối Signal Conditioning, Lowpass filter và ADC

II-3 Thiết kế mạch in, thiết kế vỏ RTU

Sơ đồ bố trí linh kiện xem hình II-3.1

Hình II-3.1Bố trí linh kiện trên mạch chính của RTU330GP

Danh mục linh kiện vật tư tương ứng RTU xem phụ lục 1

Sơ đồ mạch in mặt linh kiện (TOP) và mặt hàn (BOTTOM) xem phụ lục 2

Vỏ hộp được thiết kế sử dụng nhựa ABS hoặc PVC với kớch thước như hỡnh 3.2 Bản vẽ thiết kế chi tiết vỏ xem phụ lục 3

II-CNéT

Công ty TNHH1TV phát triển công nghệ Điện tử, tự động hoá

1:1

Hỡnh II-3.2: Vỏ hộp cho RTU