Xây dựng và tích hợp hệ thống điều khiển hiện đại cho thiết bị cơ khí thủy công tại các nhà máy thủy điện
MỤC LỤC
Cơ sở khoa học, tính mới và tính thực tiễn
- Việc nghiên cứu áp dụng và chế tạo thành công các hệ thống điện, điều khiển cho điều khiển các hoạt động của nhà máy thuỷ điện đã đ−ợc thực hiện nhiều bởi các hãng sản xuất thiết bị điều khiển và tích hợp hệ thống trên Thế giới. - Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài còn đ−ợc khẳng định trong quyết định phê duyệt danh mục các nhiệm vụ khoa học và công nghệ thuộc Dự án khoa học và công nghệ số 2512/QĐ-BKHCN ngày 22/9/05 của Bộ tr−ởng Bộ Khoa học và Công nghệ.
Mục đích và nhiệm vụ của luận văn
Đề tài số 4 có tên là "Nghiên cứu, thiết kế, tích hợp, lắp đặt và vận hành hệ thống điều khiển tổ máy turbin thuỷ lực và nhà máy thuỷ điện Đaskrông". Trong đó hệ điều khiển các thiết bị cơ khí thuỷ công là một phần trong nội dung thực hiện của đề tài.
Ph−ơng pháp nghiên cứu và cấu trúc luận văn
Hệ thống điều khiển các cửa van cung đập tràn
Ngoài ra do các yêu cầu về an toàn tuyệt đối trong việc đảm bảo vận hành các cửa van cung, nhất là khi có yêu cầu xả lũ, mà hệ thống điều khiển nâng hạ cửa van cung bằng thuỷ lực luôn đ−ợc trang bị thêm một bơm thuỷ lực vận hành bằng tay và một bộ lọc dầu di động. Trong chu trình vận hành tự động bình thường của hệ thống các van cung đập tràn th−ờng căn cứ vào hai số liệu vào cơ bản, một là số khoảng chia toàn dải vận hành của van từ 4 đến 6 cấp tuỳ theo chiều cao làm việc của cửa van.
Hệ thống điều khiển các cửa nhận n−ớc
Hệ thống điều khiển các cửa nhận nước cũng luôn cần giám sát trạng thái đóng hoặc mở cửa và cũng đòi hỏi phải điều khiển và giám sát đ−ợc từ hệ thống điều khiển nhóm (điều khiển từ xa) và liên động điều khiển, giám sát đ−ợc chúng từ trong phòng điều khiển trung tâm nhà máy theo yêu cầu phát điện sản xuất. Khi có yêu cầu đóng cửa vì một lý do nào đó, thì trong mọi trường hợp người vận hành đều có thể tháo chốt, hạ cửa van nhờ tự trọng (nh−ng phải điều khiển giữ hạ từ từ tránh xốc, va chạm quá mạnh làm hỏng kết cấu cửa van và hỏng kết cấu chịu lực).
Các thiết bị đo l−ờng chính trong hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ công
Dùng encoder chúng ta có thể đo trực tiếp độ mở của các cửa van một cách chính xác vì các encoder hiện nay có độ phân giải rất cao trong khi độ dịch chuyển trên toàn dải của van là rất lớn (7-10 mét), điều này cho phép chúng ta có thể giám sát và hiển thị độ mở của các cửa van này cỡ mm. Tuy nhiên vì nó đ−ợc chế tạo bằng các thiết bị công nghệ cao nên có độ ổn định và khả năng làm việc dài hạn tương đối tốt và theo yêu cầu cụ thể ng−ời ta vẫn dùng nhiều lọai thiết bị này cho hệ thống giám sát mức n−ớc của các công trình thuỷ điện.
Tình hình nghiên cứu, tích hợp hệ thống điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công trong n−ớc
Giá trị sản xuất trong n−ớc các thiết bị điện điều khiển nằm ở việc thiết kế, tích hợp chế tạo, lập trình điều khiển và giám sát hệ thống trên cơ sở những thiết bị nhập khẩu như đo lường, PLC, phần mềm cơ sở … Trong các hệ thống điều khiển tự động thì giá trị phần thiết kế, phần mềm điều khiển phù hợp với yêu cầu công nghệ chiếm tỷ lệ đến 40% tổng giá trị của hệ thống đồng bộ. Nh− vậy việc thiết kế tích hợp các hệ thống điện, tự động hoá trong nước có ý nghĩa rất to lớn, mặc dù chúng ta không chế tạo được các thiết bị điện tử, đo lường đòi hỏi yêu cầu công nghệ cao nhưng chúng ta vẫn hoàn toàn chủ động trong việc cung cấp các hệ thống điều khiển với trình độ tự động hoá tiên tiến mà vẫn giữ tỷ lệ sản xuất nội địa cao.
Giải pháp cho sản xuất hệ thống điều khiển trong n−ớc
Do l−ợng thời gian cũng nh− kinh phí trong khuôn khổ nghiên cứu của luận văn hạn chế, nên đề tài sẽ tập trung sâu vào việc nghiên cứu thiết kế, xây dựng và tích hợp hệ thống điều khiển cho các thiết bị cơ khí thuỷ công trong nhà máy thuỷ điện, đây là một hệ thống hết sức quan trọng và không thể thiếu trong các nhà máy thuỷ điện. Qua một vài công trình cung cấp thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị đồng bộ hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ công của các đơn vị trong nước đặc biệt là liên danh nhà thầu MIE-NARIME-VINAINCON hay NARIME-VINAINCON-COMA tại các công trình Plêi-Krông (Gia Lai), A-V−ơng (Đà Nẵng), Sêsan4 (Tây Nguyên), chúng ta hoàn toàn khẳng định đ−ợc khả năng cung cấp các hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ công cho các công trình thuỷ điện với mọi quy mô.
Sơ đồ khối chức năng trạm điều khiển tại chỗ
- Khối “Van thuỷ lực & Xi lanh thuỷ lực”: Bình th−ờng hệ thống van thuỷ lực chia ra thành 02 cặp van cơ bản là van nâng và van hạ, ngoài ra còn có van không tải, khi hệ thống không vận hành, thì van không tải luôn luôn mở cho dầu áp lực trả. - Khối PLC và hệ thống điều khiển bao gồm các bộ PLC, ch−ơng trình điều khiển và các rơle điều khiển dùng cho việc giao tiếp, kết nối với các thiết bị điều khiển, nhận các giá trị đo l−ờng và các tín hiệu điều khiển của ng−ời vận hành.
Sơ đồ khối chức năng trạm điều khiển từ xa
- Khối điều khiển bus truyền thông thuộc trạm điều khiển từ xa, nó cho phép kết nối và truyền dữ liệu điều khiển cũng nh− dữ liệu đo l−ờng từ các trạm điều khiển tại chỗ với trạm điều khiển từ xa và trạm vận hành từ xa. Trong sơ đồ khối H 2.3 không thể hiện phần này, vì tuỳ theo yêu cầu cụ thể của từng dự án mà có thể đòi hỏi giao thức truyền thông với trung tâm điều khiển nhà máy là Ethernet, hay kiểu bus truyền thông nào đó nh− Modbus, Profibus.
Xây dựng mô hình toán học và hàm truyền hệ thống
Từ đó, tuỳ thuộc vào từng dự án cụ thể chúng ta sẽ có các giá trị cụ thể của các hằng số: KXL,Kdt =1/σ,KG,Tdt = J/σ , căn cứ vào các giá trị cụ thể đó của hệ thống cửa van cung, xilanh thuỷ lực, kết cấu…, ta sẽ chọn đ−ợc bộ tham số PID thích hợp cho hệ thống cụ thể đó. - Ngoài ra còn rất nhiều các phương pháp xác định bộ tham số điều khiển PID của nhiều học giả khác, tuy nhiên trong khuôn khổ của luận văn này ta không đi sâu vào nghiên cứu các phương pháp này mà chỉ sử dụng kết quả của chúng để áp dụng trong bài toán cụ thể.
Tính toán thiết kế nguồn động lực
Cũng như trong các hệ thống cấp nguồn quan trọng khác, thông thường các hệ thống nguồn động lực cho hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ công đ−ợc cấp từ 02 nguồn độc lập (một từ máy biến áp tự dùng và một từ lưới điện địa phương hay nguồn máy phát dự phòng). Ngoài việc tính toán các thiết bị cơ bản nh− cáp điện, các thiết bị đóng cắt nêu ở trên, trong tính toán hệ thống động lực cho các hệ thống điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công, cũng nh− các hệ thống điều khiển khác, bao giờ cũng yêu cầu phải tính toán và chọn lựa cho các thiết bị hiển thị, điều khiển và kết nối với hệ thống tự động cho các thiết bị động lực.
Tính toán thiết kế trạm điều khiển tại chỗ
Nếu không tính được tương đối chính xác các phần trên, thì sử dụng cấu hình PLC đơn là hợp lý nhất và cần phải có đầy đủ thông tin về thiết bị của Nhà sản xuất nh− Tài liệu h−ớng dẫn, Kỹ thuật phát triển phần mềm, Dải sản phẩm, Các ứng dụng có sẵn, Thời gian giao hàng, Giá cả thiết bị. Tính toán cấu trúc ch−ơng trình, trễ đầu ra và ghi dữ liệu vào bảng tính tại B 2.2, dùng cấu trúc thời gian và bộ nhớ yêu cầu để xác định bộ nhớ có sẵn của PLC và thời gian đáp ứng của nó có phù hợp hay không Sau đó chúng ta tính toán dung l−ợng tổng hợp yêu cầu của cả hệ thống và ghi vào B 2.3.
Tính toán thiết kế trạm điều khiển từ xa
Ngoài ra yêu cầu của thiết bị PLC tại trạm điều khiển từ xa là phải kết nối thuận lợi với khối Trạm vận hành từ xa là một máy tính công nghiệp có chức năng làm giao diện vận hành, giám sát và thu thập lưu trữ dữ liệu. Căn cứ vào những số liệu tính toán đ−ợc trong mục 2.1 nêu trên, căn cứ vào những thông số kỹ thuật mà các nhà sản xuất cung cấp và những yêu cầu cụ thể của dự án, chúng ta có thể lựa chọn các thiết bị điện, tự động cho tích hợp hệ thống điều khiển các thiết bị cơ khí thuỷ công.
Các thiết bị đảm bảo nguồn động lực
Đối chiếu với bảng thông số kỹ thuật của hãng sản xuất chúng ta sẽ chọn đ−ợc các thiết bị động lực cho toàn bộ hệ thống. Nh− vậy chúng ta hoàn toàn lựa chọn đ−ợc các thiết bị đảm bảo nguồn động lực cho hệ thống điều khiển tại chỗ cũng nh− các hệ thống khác.
Cấu hình phần cứng các trạm điều khiển tại chỗ
- Căn cứ vào số liệu tính toán đ−ợc trong B 2.7, có rất nhiều chủng loại PLC đáp ứng đ−ợc các thông số kỹ thuật đề ra nh− của OMRON, LG, MITSUBISHI, ABB, SIEMENS,. - Thiết bị hiển thị độ mở cửa van: Ngoài các đèn tín hiệu chỉ trạng thái của cửa (công suất phát sáng <= 1W) trong hầu hết các dự án đều yêu cầu phải hiển thị độ mở của cửa van một cách liên tục từ 0% đến 100% ra dạng mét hay cm.
Cấu hình phần cứng trạm điều khiển từ xa
Để đảm bảo vận hành ổn định, tin cậy của hệ thống điều khiển trong công nghiệp thì ngoài việc đảm bảo cấu hình đáp ứng yêu cầu nó còn phải có độ bền và ổn định làm việc cao, nên máy tính công nghiệp sẽ luôn đ−ợc lựa chọn. - Thông th−ờng màn hình điều khiển hiện nay cho điều khiển và giám sát hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ công là loại LCD-21 Inch, vừa tiết kiệm năng l−ợng, vừa rộng và thuận tiện cho người vận hành quan sát; nên để hoàn thiện việc lựa chọn thiết bị tại trạm điều khiển từ xa, chúng ta chọn màn hình vận hành cho hệ thống là loại màn hình công nghiệp LCD, 21 Inch.
Lựa chọn phần mềm cho lập trình điều khiển
Nh− đã lựa chọn thiết bị PLC tại các mục trên là của hãng Siemens, để hệ thống làm việc tương thích và thuận lợi cho việc mua sắm thiết bị, ta cũng chọn máy tính điều khiển do hãng Siemens sản xuất và cấu hình máy có mã. Các phần mềm Microwin này đ−ợc hãng Siemens cung cấp miễn phí và có thể đ−ợc tải về từ trang web: http://support.automation.siemens.com/WW/llisapi.dll?func=cslib .csinfo2&aktprim=99&lang=en của hãng Siemens.
Lựa chọn phần mềm cho lập trình giao diện điều khiển, giám sát và thu thập xử lý dữ liệu
Thực hiện thiết kế trang in ấn, báo cáo chúng ta vào Report Designer, chọn Layouts và Print Jobs, thực hiện theo manual của phần mềm WinCC, chúng ta sẽ thiết kế được các biến lưu trữ và các trang báo cáo theo yêu cầu của dự án cụ thể. Nh− vậy, đến đây chúng ta đã hoàn toàn có đầy đủ cơ sở về lý thuyết tính toán cũng nh− các luận cứ lựa chọn để tích hợp phần cứng, phần mềm cho hệ thống điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công kiểu thuỷ lực dùng cho các nhà máy thuỷ điện hiện nay.
Hệ thống điện – thuỷ lực và các yêu cầu điều khiển cửa van
- ở chế độ này các thao tác đóng mở đ−ợc vận hành độc lập ở chế độ “nhấp” độ mở hay đóng do người vận hành quyết định trực tiếp không phụ thuộc vào việc đặt trước để mở tại phòng điều khiển trung tâm (đương nhiên các điều kiện an toàn và các điều kiện biên phải đ−ợc tuân thủ). - Thiết bị bù trôi trạng thái tĩnh là thiết bị theo dõi quá trình trôi này, khống chế miền trôi cho phép (do người vận hành chỉ định) và tự động khởi động hệ thống thuỷ lực để đ−a cửa van cung về vị trí định đặt ban đầu (chế độ bù trôi chỉ nằm trong chế. độ điều khiển tự động) do đó ở chế độ bằng tay sau khi thực hiện xong để có chế độ bù trôi phải chuyển sang chế bù trôi tự động).
01 bộ : Encorder cho hiển thị vị trí cửa van cung
Thu thập, xử lý dữ liệu và truyền thông
Ba là dữ liệu lưu theo từng tháng, mỗi ca làm việc sẽ lưu 2 trường vào đầu ca và cuối ca, như vậy lưu tháng sẽ có 90 trường ghi trong 1 tháng. - Trạng thái chốt treo cửa van và các van thuỷ lực đóng, mở cửa van cung - Trạng thái nhiệt độ dầu, áp lực dầu, mức dầu trong thùng.
Thuật toán cho các trạm điều khiển tại chỗ
Kết hợp với tín hiệu liên động (Interlocking) và tình trạng của chốt treo để phát lệnh điều khiển nâng, hạ hay dừng vận hành hệ thống cửa van. Tại vòng này ch−ơng trình sẽ thực hiện kiểm tra các chế độ vận hành, các báo động, điều khiển bơm dầu khi có lệnh điều khiển;.
Ch−ơng trình điều khiển trạm tại chỗ
Trong ch−ơng trình này, chúng ta nhận dữ liệu từ trạm điều khiển từ xa là 12 số liệu dạng DWord (4 bytes) và có thể trả về qua Profibus 12 DWord t−ơng đ−ơng 48 bytes. - Mạch vòng 2: Thực chất sẽ đ−ợc thực hiện tại OB1 bằng việc nhận dữ liệu từ VD0 đến VD44 bằng lệnh Mov_B; Mov_W hay Mov_DW … trong Microwin vào các ô nhớ để thực hiện chương trình tính toán.
Ch−ơng trình điều khiển trạm từ xa
- FC5, FC6: Dùng cho truyền và nhận dữ liệu qua Ethernet với trung tâm điều khiển nhà máy, các khối này là khối hệ thống; FC105 dùng để chia tỷ lệ giá trị đo l−ờng mức n−ớc. T−ơng tự nh− vậy, sử dụng các hàm có sẵn trong STEP7 và các yêu cầu công nghệ mục 3.1, thuật toán trong mục 3.2 và phím trợ giúp F1, chúng ta có thể lập trình điều khiển đầy đủ cho trạm từ xa.
Thiết kế các giao diện giám sát và điều khiển
Màn hình giao diện chính chủ yếu là hiển thị các trạng thái của tất cả các cửa nh− độ mở cửa hiện tại, tình trạng vận hành của từng cửa, mức nước trong hồ chứa, độ mở cửa đặt trong chế độ tự động và các nút giao diện cho điều khiển in ấn, báo cáo. Tại giao diện này chúng ta phải thiết kế hiển thị đầy đủ các trạng thái của một cửa nh− độ mở đặt, giá trị độ mở cửa hiện tại, các trạng thái của chốt treo, các giới hạn của cửa, trạng thái của các bơm dầu.
Thiết kế các trang trợ giúp (help)
Microsoft để thiết kế các trang trợ giúp dạng *.htm, tiếp theo chúng ta sử dụng phần mềm HTML Help Workshop để tổ hợp (compile) chúng lại dạng *.chm, sau đó viết một đoạn ch−ơng trình dạng *.exe gọi file HTML khi có yêu cầu từ WinCC, vì. Để thực hiện được như vậy, trước tiên chúng ta sử dụng Microsoft FrontPage để tạo các trang nội dung cần trợ giúp của dự án dạng *.htm, ví dụ nh− các trang ViênNCCK để giới thiệu về đơn vị thực hiện.
Thiết kế các giao diện thu thập dữ liệu, in ấn báo cáo
Bằng việc áp dụng những nghiên cứu cơ bản và những lý thuyết tính toán hệ thống đã đề cập tại chương 1 và chương 2 của luận văn, trong chương này chúng ta đã nêu ra đ−ợc các nội dung yêu cầu cụ thể đối với hệ thống điều khiển từ đó xây dựng thuật toán điều khiển và lập trình hệ thống. Để hưởng ứng công cuộc đẩy mạnh quá trình tự động hoá, hiện đại hoá đất nước và nâng cao tỷ lệ nội địa hoá nền sản xuất công nghiệp, đề tài của luận văn nhằm thực hiện việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển cho các thiết bị cơ khí thuỷ công của nhà máy thuỷ điện.
