Mặc dù việc phát minh và ứng dụng năng l−ợng của nguồn điện nói chung và nguồn năng l−ợng thuỷ điện nói riêng đã có từ rất sớm (từ tr−ớc những năm 1900), nh−ng kể từ năm 1970 trở về tr−ớc khi kỹ thuật máy tính, vi mạch còn ch−a phát triển thì hầu hết các hệ thống điều khiển tự động cũng nh− hệ thống điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công đều hết sức thô sơ. Việc điều khiển các thiết bị cơ khí thuỷ công chỉ đơn giản là việc nâng hoặc hạ các cửa van và th−ờng đ−ợc sử dụng là các tời quay tay và về sau là các tời điện. Kể từ khi chiếc máy tính cá nhân đầu tiên IBM650 đ−ợc tung ra thị tr−ờng năm 1960 bởi hãng IBM, thì cũng là lúc cuộc cách mạng về công nghệ điều khiển tự động nổ ra và phát triển. Chỉ từ sau những năm 1970 khi công nghệ chế tạo các thiết bị điều khiển tự động công nghệ cao phát triển, thì hệ thống điều khiển các thiết bị cơ khí thuỷ công mới có những thay đổi lớn. Việc đòi hỏi phải điều khiển chính xác, nhanh cũng nh− các yêu cầu về nâng cao chất l−ợng điện năng và giảm giá thành sản xuất trong các nhà máy điện đặt ra càng cấp bách, việc nghiên cứu ứng dụng các hệ thống điều khiển thuỷ lực, tự động hoá cho điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công là một xu h−ớng tất yếu.
Ngày nay trên Thế giới có rất nhiều nhà sản xuất đầu t− nghiên cứu và cung cấp cho thị tr−ờng các loại xi lanh thuỷ lực có lực nâng và khoảng di chuyển rất lớn. Hệ thống điều khiển các thiết bị cơ khí thuỷ công sử dụng thuỷ lực đem lại sự làm việc chính xác, an toàn cho các cửa van và cho phép tích hợp điều khiển tự động ở mức cao. Các hệ thống điện điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công cũng dựa trên cơ sở của công nghệ tự động hoá mà phát triển phù hợp.
Các n−ớc tiên tiến đã có những b−ớc phát triển rất cao trong lĩnh vực tự động hoá với những hãng hàng đầu thế giới nh− là Siemens, ABB, Yokogawa, Honeywell, Mitsubishi, Invensys, Wonderware, Yamatake. Và theo các mức độ ứng dụng thì các hệ thống tự động hoá cũng đ−ợc phân loại thành một số mức gồm có bộ điều khiển vòng kín loop-control, bộ điều khiển khả trình (PLC), bộ điều khiển lai (hybrid-control), bộ điều khiển phân tán (DCS) cùng với các hệ thống giao diện ng−ời máy (HMI), các hệ thống điều khiển giám sát, thu thập và quản lý dữ liệu (SCADA), các hệ thống điều khiển kiểu PCI, PXI, là những loại máy tính dùng cho điều khiển, có tích hợp các I/O và có chức năng nh− các máy PC.
Bộ điều khiển vòng kín (loop-control) th−ờng đ−ợc sử dụng cho các ứng dụng nhỏ, bao gồm 1 hoặc 2 vòng kín. Đặc điểm đơn giản dễ sử dụng, tốc độ xử lý và đáp ứng điều khiển thời gian thực cao, giá thành thấp, lập trình và hiển thị nằm ngay trên bộ điều khiển.
Bộ điều khiển PLC th−ờng tập trung sử dụng cho các ứng dụng điều khiển logic, đồng thời nó cũng đ−ợc tích hợp các môđun tín hiệu t−ơng tự cho phép điều khiển các vòng lặp t−ơng tự.
Bộ điều khiển lai là giải pháp tích hợp giữa loop control và PLC. Tuy nhiên khả năng xử lý của bộ điều khiển lai mạnh hơn nhiều, có thể sử dụng cho các bài toán điều khiển có độ phức tạp cao, hay cho một dây chuyền sản xuất cỡ trung bình. Nhiều bộ điều khiển lai có thể đ−ợc tích hợp với nhau để giải quyết những bài toán lớn cho cả nhà máy.
Hệ thống điều khiển phân tán DCS là giải pháp điều khiển toàn diện cho toàn nhà máy, với khả năng xử lý lớn, rất phức tạp. Hệ thống điều khiển phân tán DCS không chỉ dừng với vai trò điều khiển, mà còn liên kết chặt chẽ với hệ thống thông tin, hệ thống cơ sở dữ liệu hay các bài toán quản lý, điều khiển chất l−ợng ...
Hệ thống giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu (SCADA). Xét về cấu trúc phần cứng, hệ thống điều khiển SCADA gần giống với hệ thống điều khiển DCS. Có vài điểm phân biệt DCS và SCADA là: Hệ thống DCS là hệ thống điều khiển thiên về điều khiển quá trình (Process), còn hệ thống SCADA là hệ thống điều khiển thiên về sự kiện (Event). Về ý nghĩa này, thì hệ SCADA sẽ −u tiên tác dụng và phản ứng với các sự kiện thay đổi của quá trình, còn DCS sẽ tác dụng trực tiếp và điều khiển quá trình. Tuy nhiên do mức độ phát triển rất mạnh của công nghệ thông tin, thì hai hệ thống này đã tiến gần với nhau và chúng ta rất khó phân biệt rạch ròi giữa chúng. Các hệ thống máy tính điều khiển (PCI, PXI) hiện tại vẫn còn mới đối với thị tr−ờng Việt nam. Tuy nhiên với những tính năng giao diện cao, dễ dàng cho phép chúng ta thiết lập mạng điều khiển nhiều cấp độ, hy vọng một thời gian nữa chúng sẽ đ−ợc ứng dụng rộng rãi thay cho các hệ thống chỉ dùng PLC.
Để xây dựng hệ thống điều khiển cho các thiết bị cơ khí thuỷ công ng−ời ta áp dụng tất cả các loại hệ thống điều khiển kể trên. Các bộ điều khiển loop, hybrid,
PLC th−ờng đ−ợc sử dụng cho các thiết bị tại hiện tr−ờng. Còn các hệ thống DCS, SCADA đ−ợc sử dụng cho các bộ điều khiển nhóm hoặc hệ thống điều khiển nhà máy. Tuy nhiên tuỳ vào quy mô công suất và các yêu cầu cụ thể của từng dự án mà chúng đ−ợc áp dụng với những cấu trúc và quy mô khác nhau.
b) Những ph−ơng pháp điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công
Những ph−ơng pháp áp dụng cho điều khiển hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ công cũng nh− áp dụng cho các hệ thống điều khiển khác, nó phải phù hợp với sự phát triển công nghệ và những yêu cầu đáp ứng của thiết bị cụ thể. Khi công nghệ VXL ch−a phát triển thì các hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ công chỉ áp dụng ph−ơng pháp điều khiển trực tiếp, ng−ời vận hành phải trực tiếp quay (hoặc dùng tời điện) nâng hoặc hạ cửa theo yêu cầu xả lũ. Từ sau những năm 1970, đặc biệt là khi công nghệ chế tạo các thiết bị thuỷ lực phát triển và áp dụng vào nâng hạ các cửa van thuỷ điện, thì các ph−ơng pháp điều khiển mới đ−ợc áp dụng và có chiều h−ớng ngày càng phong phú, đa dạng.
Do yêu cầu thực tế đặt ra cho hệ thống điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công ngày càng cao, đòi hỏi phải áp dụng các ph−ơng pháp điều khiển tự động có chất l−ợng cao, ổn định, chính xác trong vận hành, có khả năng điều khiển tập trung cao. Điều tất yếu xảy ra là cuộc cạnh tranh giữa các hãng sản xuất cung cấp thiết bị về công nghệ và ph−ơng pháp điều khiển. Có rất nhiều các ph−ơng pháp điều khiển tự động đ−ợc nghiên cứu áp dụng cho điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công nh− ph−ơng pháp điều khiển bền vững (robust control), điều khiển thích nghi (adaptive control), điều khiển dự đoán (predictive control), điều khiển tối −u (optimal control), điều khiển thông minh (intelligent control),…Vì hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ công có thời gian nghỉ làm việc và hằng số thời gian rất lớn, do vậy các ph−ơng pháp điều khiển tự động tối −u, điều khiển thích nghi không phát huy hiệu quả và do đó ít đ−ợc sử dụng [21]. Những ph−ơng pháp th−ờng đ−ợc sử dụng hiện nay là ph−ơng pháp điều khiển bền vững, hệ thống này luôn tính toán điểm đặt của quá trình và điều khiển đạt độ sai lệch tĩnh nhỏ nhất. Ph−ơng pháp điều khiển dự đoán là một trong những ph−ơng pháp đ−ợc −u chuộng vì thực chất của ph−ơng pháp này kết hợp 03 thành phần là dự báo, tối −u trong dải làm việc và cập nhật phản hồi trực tiếp. Các hệ thống điều
khiển thông minh sử dụng các ph−ơng thức tính toán điều khiển hiện đại nh− điều khiển mờ (fuzzy), hệ điều khiển cấu trúc nơron,… cũng đang đ−ợc nghiên cứu áp dụng cho điều khiển tại một số hệ thống cơ khí thuỷ công trong các nhà máy thuỷ điện lớn, mức độ điều khiển tập trung cao. Việc áp dụng các ph−ơng pháp điều khiển thông minh đòi hỏi phải có bộ điều khiển cấu hình mạnh, nên nó chỉ áp dụng đ−ợc đối với những hệ thống có mức độ điều khiển tập trung cao.
