Nghiên cứu xây dựng hệ thống tự động hóa trong điều khiển tưới tiêu thủy lợi với giải pháp thu thập dữ liệu từ xa

1 CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU THỦY LỢI 1.1 Khái niệm hệ thống tưới – tiêu thủy lợi 1.1.1 Khái niệm hệ thống tưới - tiêu thủy lợi “Hệ thống tưới – tiêu” là một công trình n

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN QUỐC HƯNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TRONG ĐIỀU KHIỂN TƯỚI TIÊU THỦY LỢI VỚI GIẢI

PHÁP THU THẬP DỮ LIỆU TỪ XA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, NĂM 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN QUỐC HƯNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TRONG ĐIỀU KHIỂN TƯỚI TIÊU THỦY LỢI VỚI GIẢI

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận văn

Nguyễn Quốc Hưng

ii

LỜI CÁM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến Tiến sĩ Vũ Minh Quang, Tổ trưởng tổ Điện – Khoa Năng lượng - Trường Đại học Thủy lợi, thầy đã dành nhiều thời gian tận tình chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trình tìm hiểu, triển khai và nghiên cứu đề tài Thầy là người đã định hướng và đưa ra nhiều góp ý quý báu trong quá trình em thực hiện luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn chân thành tới toàn thể các thầy giáo, cô giáo trong khoa Năng lượng - Trường Đại học Thủy lợi đã dạy bảo tận tình, trang

bị cho em những kiến thức quý báu, bổ ích và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình em học tập và nghiên cứu tại trường

Em cũng xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn bên em cổ vũ, động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

Do có nhiều hạn chế về thời gian và kiến thức nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn cùng quan tâm

iii

MỤC LỤC

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix

MỞ ĐẦU x

1 Tính cấp thiết của Đề tài: x

2 Mục đích của Đề tài: xi

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: xi

4 Kết quả dự kiến đạt được: xi

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU THỦY LỢI 1

1.1 Khái niệm hệ thống tưới – tiêu thủy lợi 1

1.1.1 Khái niệm hệ thống tưới - tiêu thủy lợi 1

1.1.2 Phân loại trạm bơm tiêu: 1

1.1.3 Đặc điểm trạm bơm tiêu: 1

1.2 Sơ đồ phổ biến của một hệ thống tưới – tiêu thủy lợi 2

1.2.1 Nguồn nước 2

1.2.2 Bể hút và nguồn hút 3

1.2.3 Trạm bơm 3

1.2.4 Máy bơm 4

1.2.5 Đặc điểm của máy bơm nước 6

1.2.6 Bể xả 7

1.2.7 Ruộng 7

1.3 Vai trò của hệ thống tưới – tiêu thủy lợi 7

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TƯỚI TIÊU THỦY LỢI ĐIỂN HÌNH 10

2.1 Khái niệm về hiện đại hóa hệ thống tưới 10

2.2 Hệ thống tưới truyền thống và hệ thống tưới được hiện đại hóa 12

2.2.1 Hệ thống tưới truyền thống 12

2.2.2 Hệ thống tưới hiện đại 14

2.3 Vai trò hiện đại hóa hệ thống tưới 16

iv

2.4 Lựa chọn giải pháp điều khiển hệ thống bơm tưới tiêu thủy lợi 17

2.5 Sơ đồ hệ thống tưới cho nhiều đồng ruộng 22

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG PLC S7 – 1200 TRONG TỰ ĐỘNG HÓA TƯỚI TIÊU THỦY LỢI 26

3.1 Tổng quan thiết bị 26

3.2 Cấu trúc 30

3.3 Ngôn ngữ lập trình 31

3.4 Lựa chọn cấu hình PLC S7 – 1200 35

3.5 Lập trình ứng dụng 36

3.5.1 Sơ đồ chức năng 36

3.5.2 Khai báo biến ngõ Vào/Ra của bài toán 41

3.5.3 Viết chương trình 45

CHƯƠNG 4 GIẢI PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU TỪ XA VỀ PLC S7 - 1200 46

4.1 Khái quát 46

4.2 Tổng quan mạng truyền thông MODBUS 47

4.2.1 Tầm quan trọng của mạng MODBUS 47

4.2.2 Các dạng MODBUS phổ biến hiện nay 48

4.2.3 Truyền thông RS485 50

4.3 Profibus 53

4.4 Profinet 56

4.3.1 Lớp thời gian thực 56

4.3.2 Các chế độ PROFINET 57

4.5 Module truyền thông GPRS/GSM CP1242-7 PLC S7 – 1200/1500 59

4.5.1 Ứng dụng Telecontrol 59

4.5.2 Cấu hình và chế độ làm việc 60

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT 65

5.1 Tổng quan về giao diện giám sát HMI 65

5.2 Giới thiệu về WinCC Professional: 69

5.3 Thiết kế giao diện HMI 70

5.3.1 Gán biến 70

5.3.2 Thiết kế giao diện 72

CHƯƠNG 6 MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 82

v

6.1 Giới thiệu về chương trình mô phỏng PLCSIM 82

6.2 Mô phỏng chương trình hệ thống 84

6.3 Mô phỏng giao diện HMI 86

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

PHỤ LỤC 92

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống tưới tiêu thủy lợi 4

Hình 2.1: Hệ thống ĐK & GS 18

Hình 2.2: Hệ thống SCADA 19

Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống tưới tiêu 22

Hình 3.1: CPU PLC S7-1200 26

Hình 3.2: Vị trí các module mở rộng 29

Hình 3.3: Sơ đồ kết nối của PLC S7-1200, CPU 1214C-DC/DC/Relay 30

Hình 3.4: Cấu trúc cơ bản PLC S7-1200 31

Hình 3.5: Giao diện chương trình 32

Hình 3.6: Đặt tên dự án 33

Hình 3.7: Chọn chương trình làm việc 33

Hình 3.8: Chọn cấu hình PLC 34

Hình 3.9: CPU của PLC S7-1200 đã chọn 35

Hình 3.10: Cấu hình PLC S7 - 1200 35

Hình 3.11: Sơ đồ chức năng của hệ thống tưới tiêu thủy lợi 36

Hình 3.12: Sơ đồ tưới 38

Hình 3.13: Sơ đồ tiêu 40

Hình 4.1: PLC S7-1200 kết nối với các module mở rộng 48

Hình 4.2: Mạng MODBUS RTU 48

Hình 4.3: Kết nối Modbus 49

Hình 4.4: ASCII 49

Hình 4.5: Truyền dữ liệu 50

Hình 4.6: Mudbus TCP/IP ADU 50

Hình 4.7: Chuẩn giao tiếp RS485 51

Hình 4.8: Kết nối RS485 52

Hình 4.9: Hệ thống mạng dùng PROFIBUS DP 54

Hình 4.10: Mạng truyền thông PROFIBUS-PA 55

Hình 4.11: Hệ thống truyền thông Ethernet và Profibus 56

Hình 4.12: Profinet I/O 57

Hình 4.13: Hệ thống Profinet 58

Hình 4.14: Mạng truyền thông không dây kết nối PLC với PC 59

Hình 4.15: Ứng dụng Telecontrol 60

Hình 4.16: Sơ đồ trình bày các thành phần quan trọng module truyền thông PRS/GSM CP1242-7 61

Hình 4.17: Quy trình làm việc của module CP1242-7 61

Hình 4.18: Kết nối MODBUS chủ - tớ 64

Hình 5.1: Cấu trúc hệ thống SCADA 67

Hình 5.2: Chọn màn hình HMI 73

Hình 5.3: Chọn Graphics 73

vii

Hình 5.4: Đổi màu Graphics 74

Hình 5.5: Chọn các graphics trong Categories 74

Hình 5.6: Tạo nút nhấn và hiển thị mức nước 75

Hình 5.7: Màn hình HMI hoàn chỉnh 75

Hình 6.1: Cửa sổ chương trình PLCSIM 82

Hình 6.2: Kết nối PLCSIM 83

Hình 6.3: Tải chương trình vào PLC 83

Hình 6.4: Ví dụ thêm biến mô phỏng 84

viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1: Mô hình công nghệ SCADA 20

Bảng 3.1: So sánh các dòng CPU của S7-1200 27

Bảng 3.2: Các Module mở rộng 28

Bảng 3.3: Khai báo biến ngõ vào/ra 41

Bảng 4.1: So sánh RS422 với RS485 51

Bảng 5.1: Gán biến ngõ vào/ra của bài toán 70

Bảng 5.2: Thêm một số biến 72

ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ASCII: American Standard Code for Information Interchange BPT: Bơm pít tông

BXCT: Bánh xe công tác

CNH và HĐH: Công nghiệp hóa và hiện đại hóa

CPU: Computer Processer Unit

CM: Communication module

GPRS: General Packet Radio Service

GSM: Global System for Mobile Communications

HMI: Human Machine Interface

Modbus: Module bus

MPI: Multi Point Interface

OPC: OLE (object Linking Embedded) for Process Control PLC: Programmable Logic Controlle

PPI: Point to Point Interface

IP: Internet Protocol

RS: Remote Signalling

RTU: Remote Terminal Unit

SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition

SMS: Short Message Services

TCP: Transmission Control Protocol

WinCC: Windows Control Center

x

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của Đề tài:

Thủy lợi là một thuật ngữ, tên gọi truyền thống của việc nghiên cứu khoa học công nghệ, đánh giá, khai thác sử dụng, bảo vệ nguồn tài nguyên nước và môi trường, phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai

Cụ thể, thủy lợi là việc sử dụng nước để tưới cho các vùng đất khô nhằm hỗ trợ cho cây trồng phát triển hoặc cung cấp nước tưới cho cây trồng vào những thời điểm có lượng mưa không đủ cung cấp Ngoài ra, thủy lợi cũng có một vài ứng dụng khác trong sản xuất cây trồng, trong đó bao gồm bảo vệ thực vật tránh được sương giá, khống chế cỏ dại phát triển trên các cánh đồng lúa và giúp chống lại sự cố kết đất Thủy lợi thường được nghiên cứu cùng với hệ thống tiêu thoát nước, hệ thống này có thể là tự nhiên hay nhân tạo để thoát nước mặt hoặc nước dưới đất của một khu vực cụ thể

Nước là một yếu tố quan trọng, ảnh hưởng rất lớn đến sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng Trong sản xuất nông nghiệp, nước trên đồng ruộng luôn thay đổi Nếu chúng ta nắm vững quy luật biến đổi của chế độ nước và sử dụng hợp lý các nguồn nước ở từng vùng thì độ phì của đất ngày càng tang lên hoặc hạn chế đến mức thấp nhất sự phát triển xấu của đất đai và ngược lại

Trong tự nhiên nước phân bố không đồng đều cả về không gian và thời gian, không phù hợp nhu cầu nước của cây trồng Lượng nước đến (mưa; nước ngầm) quá nhiều hay quá ít so với lượng nước tiêu hao thì cây trồng bị úng hoặc bị hạn Vì vậy, điều tiết chế độ nước của đất phù với nhu cầu nước của cây trồng là một biện pháp kỹ thuật quan trọng đối với tăng vụ, tăng năng suất cây trồng và nâng cao độ phì nhiêu của đất Hiện nay, hệ thống tưới rất nhiều loại như: tưới phun, nhỏ giọt, ngầm, tưới tràn, vv….chúng ta phải chọn giải pháp điều khiển như thế nào cho phù hợp, trong đó vai trò điều khiển theo mức nước rất quan trọng Vấn đề, cánh đồng lúa qui mô lớn, nhiều kênh mương dài dẫn đến khoảng cách điều khiển xa nên chọn giải pháp truyền tín hiệu

đo mức nước tại cửa van, lưu lượng tại kênh nhằm cung cấp dữ liệu, thông tin cho bộ điều khiển

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu lý thuyết về kết nối Profibus, Profinet và thu thập dữ liệu từ xa, nghiên cứu giải pháp điều khiển dùng PLC S7-1200 của Siemens; thực nghiệm mô phỏng hệ thống tự động hóa

4 Kết quả dự kiến đạt được:

- Chương trình lập trình điều khiển và giám sát hệ thống tự động hóa trong tưới tiêu thủy lợi

- Kết nối hệ thống thu thập dữ liệu từ xa bằng cảm biến kết nối với các module của PLC S7-1200 của Siemens

- Mạng truyền thông trong công nghiệp

1

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU THỦY LỢI 1.1 Khái niệm hệ thống tưới – tiêu thủy lợi

1.1.1 Khái niệm hệ thống tưới - tiêu thủy lợi

“Hệ thống tưới – tiêu” là một công trình nhân tạo, sử dụng chủ yếu cho nông nghiệp, nhằm mục đích giúp cho con người chủ động cung cấp nước đầy đủ theo nhu cầu phát triển của cây trồng; đồng thời hệ thống cũng giúp cho việc tiêu thoát nước hợp lý giúp cho cây trồng không bị nguy hại do ngập úng

Hệ thống tưới – tiêu là một trong những cơ sở vật chất hạ tầng của nông nghiệp và nông thôn Hệ thống giúp cho mùa màng phát triển ổn định, hạn chế những sự thất thường của thời tiết và điều kiện tự nhiên liên quan đến nguồn nước, đất và cây trồng

Hệ thống tưới nước là một tổng thể các bộ phận, các công trình và thiết bị làm nhiệm

vụ lấy nước từ nguồn chuyển và phân phồi nước tới từng khoảnh ruộng cần tưới, đồng thời khi cần thiết có thể tháo đi lượng nước thừa từ mặt ruộng đến nơi quy định

1.1.2 Phân loại trạm bơm tiêu:

Trạm bơm tiêu được phân loại như sau:

- Trạm bơm tiêu nước mặt

- Trạm bơm tiêu nước ngầm

- Trạm bơm tiêu kết hợp cả nước mặt và nước ngầm

Thời gian làm việc của các trạm bơm tiêu cũng khác nhau: các trạm bơm tiêu nước lũ

và nước mưa rào làm việc có tính chu kỳ, thời gian ngắn trong năm, còn bơm nước ngầm thông thường làm việc quanh năm Ở nước ta hiện nay chủ yếu là tiêu nước mặt cho cây trồng

1.1.3 Đặc điểm trạm bơm tiêu:

Trạm bơm tiêu có những đặc điểm sau:

- Lưu lượng nước không đều và rất lớn Mức độ không đều tùy thuộc vào sự giao động của nước mặt và nước ngầm

2

- Làm việc gián đoạn, thời gian trạm không làm việc phụ thuộc vào sức chứa của dung tích điều tiết và thời gian ngập cho phép của khu vực Thời gian trạm bơm tiêu làm việc trong năm tuy ít nhưng rất căng thẳng

- Cột nước cần bơm thấp nhưng thay đổi liên tục

- Lưu lượng tính toán của các máy bơm chính trong trạm bơm tiêu được chọn cần phải tính đến ngập cục bộ có thể xảy ra trong thời gian ngắn Bởi vì vậy phần trên của kết cấu dưới nước nhà máy và sàn phần trên nhà máy cần phải đặt cao hơi từ >0,5m so với cao trình nền hoặc mực nước tính toán lớn nhất khi có sóng dâng

- Khi cột nước trạm tương đối nhỏ (đến 5m) và với việc dùng máy bơm lớn, nhà máy bơm có thể kết họp với công trình tháo Thường dùng dường ống dẫn để đưa nước cần tiêu đến nhà máy bơm Khi đường ống làm chức năng kênh vận chuyển chính vận chuyển nước thì trạm bơm được thiết kế như trạm bơm nâng cấp II thông thường, còn nếu như đường ống làm việc với chế độ thường xuyên không đầy, thì trước nhà máy đặt một bể điều tiết lấy mực nước lớn nhất trong bể thấp hơn tâm đường ống

1.2 Sơ đồ phổ biến của một hệ thống tưới – tiêu thủy lợi

1.2.1 Nguồn nước

Đối với nguồn nước phục vụ tưới – tiêu cần lưu ý đến hai vấn đề là nguồn nước của trạm bơm và đặc điểm về cấp nước cho khu tưới Về nguồn nước thiên nhiên của trạm bơm có thể chia thành bốn loại là nguồn nước sông thiên nhiên, nguồn nước hồ nhân tạo, nguồn nước hồ thiên nhiên và nguồn nước ngầm

Sông và hồ nhân tạo là hai loại nguồn nước phục vụ nông nghiệp phổ biến nhất hiện nay Chúng có đặc điểm chung là mực nước nguồn dao động khá lớn trong năm làm cho mực nước tại bể hút cũng dao dộng lớn, do đó máy bơm cần phải lựa chọn loại có chiều sâu hút phù hợp, đồng thời cao trình đặt máy bơm cũng cần phải được thiết kế

để đảm bảo không sinh hiện tượng khí thực Ngoài ra chất lượng nước nguồn cũng thay đổi trong năm theo mùa lũ hay mùa cạn Hơn nữa loại nguồn này còn phải lưu ý tới việc hạn chế hoặc loại bỏ rác rưởi, vật nổi kéo vào bể hút

3

Với nguồn nước là hồ thiên nhiên và nước ngầm, mực nước nguồn khá ổn định, chất lượng nước cũng ít biến đổi, đồng thời vấn đề chắn và vớt rác cũng được giảm nhẹ so với hai loại nguồn nêu trên

1.2.2 Bể hút và nguồn hút

Bể hút đóng vai trò quan trọng quyết định nhiều đến chất lượng thủy lực của buồng hút và do đó ảnh hưởng nhiều đến độ bền và chất lượng làm việc của máy bơm Cho đến nay hầu hết các trạm bơm lớn vấn đề bể hút và buồng hút vẫn chưa được cải thiện nhiều, đa số các trạm bơm lớn khi hoạt động hai máy hai đầu vẫn bị thiếu nước, bị xoáy, máy rung nhiều và chóng hỏng

Buồng hút có kết cấu khác nhau tùy thuộc vào loại máy khác nhau Buồng hút của các loại bơm có lưu lượng lớn phải được đặc biệt chú ý đến chất lượng thủy lực Người ta thường bố chí các chóp dẫn dòng ở buồng hút hoặc các vách dấn dòng ở phía cuối buồng hút để làm nhiệm vụ dẫn dòng và tránh phát sinh hiện tượng xoáy

1.2.3 Trạm bơm

Máy bơm giữ vai trò chính trong quá trình vận hành khai thác Mỗi loại bơm thích ứng với một loại đặc điểm địa hình và có những ưu điểm phù hợp với điều kiện tự nhiên nếu chọn nhầm sẽ gây tốn kém và không phát huy được hiệu quả

Đối với một hệ thống tưới – tiêu số máy bơm trong trạm lớn hay nhỏ sẽ làm thay đổi đáng kể đến chi phí xây dựng, quản lí, vận hành và khai thác

Theo khuyến cáo số máy bơm trong một trạm ít nhất là từ 4-6 máy Tuy nhiên điều này chỉ dựa trên kinh ngiệm, dựa trên thực tế trước đây khi sự phát triển, tiến bộ khoa học chưa thực sự phát triển Việc thiết kế một máy bơm còn phải được xem xét dựa vào khả năng đáp ứng các loại máy bơm của nơi cung cấp

4

Van tưới 1

V-6 V-7 V-9 V-10 V-11 V-12 V-13 V-14 V-15 V-16

Van tưới 2

V-19 V-24 V-20 V-17 V-23 V-26 V-22 V-21 V-27 V-18

Van tưới 3

V-32 V-38 V-30 V-29 V-37 V-33 V-35 V-31 V-28 V-36

Van tưới 4

V-44 V-43 V-45 V-42 V-40 V-47 V-41 V-49 V-39 V-46

đầu nguồn

Bể hút trạm bơm

Ruộng cây hoa màu C

Ruộng cây măng tây D

5

Hình 1.2: Máy bơm thủy lợi Phân loại: Theo nguyên lí tác động của cánh bơm vào dòng nước, máy bơm được chia theo làm hai nhóm: bơm động học và bơm thể tích

+ Bơm động học: Trong buồng công tác của máy bơm nước động học, chất lỏng được nhận năng lượng liên tục từ cánh bơm truyền cho nó suốt từ cửa vào đến cửa ra của bơm Loại máy bơm này gồm có những bơm sau:

Bơm xoắn: Chất lỏng qua các rãnh BXCT của máy bơm sẽ nhận được năng lượng để

tạo dòng chảy xoắn và được đẩy khỏi cửa ra BXCT Người ta dùng máy bơm này chủ yếu trong công tác hút nước hố thấm, tiêu nước, cứu hỏa

Bơm cánh quạt (gồm máy bơm nước li tâm, hướng trục, cánh chéo): Trong loại máy bơm này, các cánh quạt gắn trên bánh xe công tác (BXCT) sẽ truyền trực tiếp năng lượng lên chất lỏng để đẩy chất lỏng dịch chuyển Loại bơm này thường có lưu lượng lớn, cột áp thấp (trong bơm nước gọi cụ thể là cột nước) và hiệu suất tương đối cao, do vậy thường được dùng trong nông nghiệp và các ngành cấp nước khác

Bơm tia: Dùng một dòng tia chất lỏng hoặc dòng khí bên ngoài có động năng lớn phun

vào buồng công tác của bơm nhờ vậy hút và đẩy chất lỏng Loại máy bơm này bơm được lưu lượng nhỏ, thường được dùng để hút nước giếng và dùng trong thi công

6

Bơm rung: Cơ cấu công tác của bơm này là pít tông-van giao động qua lại với tầng số

cao gây nên tác động rung cơ học lên dòng chất lỏng để hút đẩy chất lỏng Loại bơm này có lưu lượng nhỏ, thường được dùng bơm nước giếng và giếng mỏ

Bơm khí ép: Loạị máy bơm nước này nhờ tạo hỗn hợp khí và nước có trọng lượng riêng nhỏ hơn trọng lượng riêng của nước để dâng nước cần bơm lên cao Loại bơm này thường dùng để hút nước b n hoặc nước giếng

Bơm nước va (bơm Taran): Lợi dụng hiện tượng nước va thủy lực để đưa nước lên cao Loại bơm này bơm được lưu lượng nhỏ, thường được dùng cấp nưóc cho vùng nông thôn, miền núi

+ Bơm thể tích: Nguyên lý làm việc của loại máy bơm này là thay đổi có chu kỳ thể tích của buồng công tác truyền áp lực hút đẩy chất lỏng Máy bơm nước thể tích có những loại sau:

Bơm pít tông (BPT): bơm thể tích có pít tông chuyển động tịnh tiến qua lại trong xi

lanh và truyền cho chất lỏng (hoặc khí) một áp suất dư Đặc điểm của BPT là lưu lượng không đều Để giảm xung động, dùng loại máy bơm nước này yêu cầu nhiều xi lanh hoặc có bộ đệm thuỷ lực - khí nén Phân biệt hai loại BPT: BPT chuyển động thẳng và BPT rôto (quay) Trong kĩ thuật, ở những hệ thống dầu ép cao áp (như trong động cơ điêzen, trong máy thuỷ lực áp suất tới 68,6 MPa) chủ yếu dùng BPT rôto Bơm pit tông rôto phân thành: BPT hướng tâm và BPT chiều trục BPT có thể chế tạo với lưu lượng cố định hoặc lưu lượng điều chỉnh Các cụm chủ yếu của các loại BPT rôto là cơ cấu kéo, cụm phân phối chất lỏng và đối với loại bơm có lưu lượng điều chỉnh còn có thêm cơ cấu điều chỉnh Cơ cấu kéo của BPT (tay quay - thanh truyền, culit, vv.) bảo đảm chuyển động tịnh tiến qua lại của pít tông Cơ cấu phân phối bảo đảm đưa dầu vào xi lanh trong hành trình hút và đẩy dầu vào đường ống nén trong hành trình công tác Cụm điều chỉnh để thay đổi lưu lượng và hướng dòng chảy của chất lỏng

1.2.5 Đặc điểm của máy bơm nước

Khi hạt nước bị lực ly tâm đẩy từ tâm cánh bơm ra phía mép bơm, sẽ xuất hiện khoảng trống tại tâm cánh bơm Áp suất tại khoảng trống này có thể nhỏ hơn áp suất khí trời

1.2.6 Bể xả

Sau trạm bơm là bể xả Bể xả được nối với trạm bơm theo hai hình thức: bể xả liền nhà máy hoặc bể xả tách rời nhà máy, hai hình thức bố trí này thì hình thức bể xả liền có khối lượng và giá thành rẻ hơn Bể xả xây liền nhà máy chỉ hợp lí khi máy bơm có cột nước thấp Trường hợp máy bơm có cột nước cao, mực nước lớn nhất ở bể xả cao hơn nhiều sàn đặt động cơ thì phải xây dựng bể xả xa nhà máy nối tiếp nhau bằng đường ống xả với máy bơm

1.2.7 Ruộng

Là nơi chúng ta phải thiết kế hệ thống trạm bơm tưới tiêu sao cho hợp lí và phải đảm bảo được những tiêu chí đề ra cho vụ mùa đó cây trồng có đủ nước để phát triển, không để cây bị ngập úng cũng không để cây trồng bị thiếu nước Thiết kế hệ thống có cao trình cao hơn ruộng để khi xả nước tưới và tiêu dễ dàng

1.3 Vai trò của hệ thống tưới – tiêu thủy lợi

Tự động hóa là xu thế tất yếu trong bối cảnh kinh tế hội nhập Các hệ thống tự động hóa trong lĩnh vực Thủy lợi - Thủy điện có vai trò và tỉ trọng đầu tư tăng liên tục trong những thập niên gần đây trên quy mô toàn thế giới

Các nước tiên tiến đều đã dày công đầu tư phát triển hệ thống điều khiển, giám sát,

thu thập dữ liệu (SCADA) để hỗ trợ đắc lực cho:

8

- Quản lí vận hành các công trình và hệ thống thuỷ lợi - thuỷ điện,

- Quản lí vận hành hệ thống cơ sở hạ tầng (nước, điện, ga, ),

- Quản lí lưu vực, quản lí tài nguyên,

- Giám sát môi trường, giám sát chất thải,

Hệ thống SCADA được xây dựng theo mô hình phân cấp, hình 1 Các cấp dưới cùng (cấp trường) có nhiệm vụ chính là thu thập, lưu giữ, xử lí dữ liệu (tín hiệu), điều khiển,

điều chỉnh và bảo vệ quá trình Thiết bị ở cấp này được gọi là các thiết bị điều khiển

phân tán (sau đây sẽ gọi gọn là thiết bị phân tán) Thiết bị phân tán thường:

Có số lượng lớn (tùy quy mô hệ thống)

Phải có cấu hình đủ mạnh để hoạt động độc lập và giao tiếp thuận lợi với các cấp khác

Đa dạng tùy thuộc quá trình (công nghệ) điều khiển

Có chi phí chiếm tỉ trọng lớn trong đầu tư toàn hệ SCADA

Trong quá trình triển khai thực hiện chiến lược phát triển ngành nông nghiệp trên, Bộ

NN và PTNT đã đề ra một số nhiệm vụ cụ thể, trong đó có nội dung phát triển các hệ thống nông nghiệp sản theo hướng nông nghiệp công nghệ cao Để xây dựng các hệ thống này, có rất nhiều vấn đề cần phải nghiên cứu giải quyết, trong đó có vấn đề về công tác quản lý, vận hành hệ thống Cụ thể như sau:

- Giám sát, cảnh báo chất lượng nước của các ao, hồ, sông: Hiện nay các chủ ao nuôi chủ yếu sử dụng phương pháp thủ công để lấy mẫu nước rồi thử bằng máy chuyên dụng cầm tay Công việc này không thể làm liên tục trong ngày, nên khó có thể phát hiện kịp thời chất lượng nước trong đầm nuôi không đáp ứng được yêu cầu nuôi trồng thủy sản

- Kiểm soát chất lượng nước cấp cho các cánh đồng: Trong quy trình nuôi trồng thủy sản thì chất lượng nguồn nước để cấp vào ao nuôi là rất quan trọng Tùy theo vật nuôi, thời gian sinh trưởng và chất lượng nước trong ao nuôi mà cần phải bổ sung một lượng nước vào ao nuôi với các chỉ tiêu chất lượng nước khác nhau

9

Tóm lại thuỷ lợi có vai trò vô cùng quan trọng trong cuộc sống của nhân dân nó góp phần vào việc ổn định kinh tế và chính trị tuy nó không mang lại lợi nhuận một cách trực tiếp nhưng nó cũng mang lại những nguồn lợi gián tiếp như việc phát triển ngành này thì kéo theo rất nhiều ngành khác phát triển theo Từ đó tạo điều kiện cho nền kinh

tế phát triển và góp phần vào việc đẩy mạnh công cuộc CNH - HĐH đất nước

10

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TƯỚI TIÊU

THỦY LỢI ĐIỂN HÌNH 2.1 Khái niệm về hiện đại hóa hệ thống tưới

Trong tình hình phát triển kinh tế hiện nay, nước không chỉ là nhu cầu thiết yếucho nông nghiệp mà còn là yếu tố không thể thiếu đối với nhiều ngành kinh tế khác Do vậy vấn đề tiết kiệm nước đang được được đặt ra thành một yêu cầu cấp bách, đặc biệt đối với nông nghiệp là ngành hàng năm tiêu thụ khối lượng nước rất lớn thông qua dịch vụ tưới Có hai giải pháp chủ yếu để tiết kiệm nước Thứ nhất cần áp dụng cơ cấu cây trồng và phân bổ mùa vụ hợp lý; sử dụng các loại giống tiêu thụ ít nước và chịu hạn tốt Giải pháp thứ hai là cần hoàn chỉnh các hệ thống tưới theo hướng hiện đại cả về các cơ sở hạ tầng và tổ chức quản lý, tức là hiện đại hóa hệ thống tưới Hiện đại hóa thực chất là đầu tư theo chiều sâu bằng cách áp dụng các biện pháp kỹ thuật và quản lý hiện đại để nâng cao diện tích được tưới của các hệ thống kênh, cùng với việc thay đổi nhận thức về nước, coi nước là một loại hàng hóa và tưới là một loại dịch vụ trong sản xuất nông nghiệp Đầu tư vào các hệ thống tưới hiện có vừa ít phức tạp về mặt kỹ thuật, yêu cầu kinh phí không lớn (so với xây dựng mới) nhưng lại có tính ổn định và bền vững cao Điều này càng có ý nghĩa hơn vì như đã nói ở trên, ở Việt nam hiện nay, 80% đất canh tác nông nghiệp đã có các hệ thống tưới nước, các hệ thống này còn kém hiệu quả

Hiện đại hóa tưới là một quá trình bao gồm những thay đổi về các khái niệm, cách tiếp cận, thiết kế và quản lý vận hành liên quan đến những thay đổi về kỹ thuật

và công nghệ, nhằm đáp ứng các yêu cầu về vận hành và bảo trì hệ thống tưới phục vụ đa mục tiêu Hội thảo của Tổ chức Nông lương Liên hiệp quốc (FAO) về hiện đại hoá tưới (Bangkok 1996) đã thống nhất định nghĩa hiện đại hoá tưới như

sau[1]:

“Hiện đại hoá tưới là một quá trình nâng cấp về kỹ thuật và quản lý (khác với khôi phục đơn thuần) các hệ thống kênh với mục tiêu cải thiện việc sử dụng các nguồn (lao động, nước, kinh tế, môi trường) và dịch vụ phân phối nước cho người dùng nước”

11

Trên thế giới:

Trường Đại học Hawaii tại Manoa – Mỹ đã nghiên cứu xây dựng Phần mềm quản lý

và dự báo nhu cầu tưới (IWREDSS) cho Ban quản lý sử dụng nước tại HAWAII - Mỹ Phần mềm này cho phép người sử dụng ước tính được nhu cầu tưới cho các mùa vụ khác nhau, với các tính chất của đất, hệ thống tưới tiêu, tiến độ gieo trồng, và điều kiện khí hậu Phần mềm dựa trên nền ArcGIS, với giao diện người dùng thân thiện Người dùng có thể chọn khu vực cần tưới và nhập các thông số đầu vào, các thông số này bao gồm loại cây trồng đang phát triển cần tưới tiêu, chỉ số diện tích cây trồng, lịch mùa

vụ, hệ thống tưới tiêu được sử dụng, số liệu thích hợp, và số liệu đo mực nước Dựa trên sự phối hợp giữa vị trí hệ thống tưới và trạm thủy văn gần nhất, IWREDSS nội suy ra được lượng mưa và lượng nước bay hơi trong khu vực được chọn Kết quả của phần mềm là nhu cầu tưới của các diện tích tưới Ưu điểm của phần mềm là: Phần mềm dựa trên nền ArcGIS nên trực quan, dễ sử dụng Nhược điểm là: Phần mềm chạy trên máy đơn, nên kết quả tính toán chỉ được hiển thị trên máy đơn, không thuận tiện cho người dùng; Do chạy trên nền ArcGIS, nên phần mềm chạy chậm, người dùng phải mua thêm bản quyền của phần mềm ArcGIS mới sử dụng được [2]

Phần mềm quản lý thông tin tưới tiêu thuộc hệ thống thủy nông Tanjung Karang – Malaysia: Phần mềm sử dụng ngôn ngữ lập trình là VBA- Visual Basic for Application viết trên nền phần mềm ArcGIS của hãng ESRI Phần mềm được xây dựng tương tự như phần mềm IWREDS [3]

Phần mềm CROPWAT và phần mềm CLIMWAT do Martin Smith lập, đã được tổ chức FAO giới thiệu năm 1991 và 1993 Phần mềm này có chức năng chính là tính toán nhu cầu nước của các loại cây trồng, không có chức năng tính toán lập kế hoạch tưới cho hệ thống thủy nông, nên chỉ có thể hỗ trợ công tác quy hoạch và thiết kế các công trình thủy lợi

Phần mềm lập kế hoạch cấp nước tưới ISAREG và IRRICEP do Teixeira và Pereira (Bồ Đào Nha) được xây dựng từ 1992-1993 Phần mềm có chức năng tính toán nhu cầu tưới của cây trồng để trợ giúp cán bộ quản lý lập lịch cấp nước tưới Phần mềm ISAREG là để trợ giúp hệ thống tưới cây trồng cạn còn phần mềm IRRICEP là để trợ

Trong khuôn khổ một dự án hợp tác nghiên cứu giữa Trường đại học Melburne (Úc)

và Viện Khoa học Thủy Lợi (nay là Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam), mô hình vận hành hệ thống kênh tưới (IMSOP) đã được ứng dụng thử nghiệm trên các số hệ thống tưới La Khê, Đan Hoài và Củ Chi Sau đó, được tác giả và nhóm nghiên cứu của Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam nghiên cứu phần mềm này và đã được cải tiến và ứng dụng mở rộng ở hệ thống tưới Đông Anh, Nam Sông Mã, Đồng Cam Tuy nhiên đến nay, do nhiều nguyên nhân khác nhau, các đơn vị sử dụng gần như không dùng đến công cụ này để tính toán điều hành hệ thống tưới

Trong khuôn khổ luận án của mình, Tiến sĩ Nguyễn Việt Chiến [5] đã sử dụng mô hình IMSOP để tính toán đưa ra hiệu quả sử dụng nước mưa ứng với từng thời kỳ sinh trưởng của cây lúa

Trong khuôn khổ luận án của mình, Tiến sĩ Trần Văn Đạt [6] đã nghiên cứu phát triển

mô hình IMSOP để vận hành hệ thống tưới trong điều kiện hạn chế nguồn nước Tác giả đã phát triển mô hình theo hướng chọn mô hình tối ưu phi tuyến để nghiên cứu ứng dụng hỗ trợ ra quyết định trong công tác vận hành hệ thống với hàm mục tiêu là tối đa tổng sản lượng lúa trong trường hợp không đủ nước tưới

2.2 Hệ thống tưới truyền thống và hệ thống tưới được hiện đại hóa

2.2.1 Hệ thống tưới truyền thống

Thành phần của 1 hệ thống tưới truyền thống

13

Cống lấy nước đầu kênh

Công trình

nước vào kênh cấp dưới

Hình 2.1: Hệ thống tưới truyền thống

Đặc điểm của hệ thống truyền thống

Hệ thống truyền thống thường có các đặc điểm cụ thể được tạo ra từ thiết kế, vận hành và cách quản lý "truyền thống" Thiếu sót của hệ thống truyền thống ở Việt Nam có thể là tương tự hoặc khác với các hệ thống hiện có ở những nơi khác trên thế giới và có một số đặc điểm chính như sau[7]:

Về thiết kế: thiết kế kênh và công trình trên kênh căn cứ khả năng nguồn nước, yêu cầu nước lớn nhất cho cây trồng được quyết định từ diện tích tưới và cơ cấu cây trồng, các dạng tổn thất nước và cách vận hành (đồng thời hay luân phiên), cao trình ruộng đất cần tưới Do không tính đến các phương án yêu cầu dùng nước tăng cần thực hiện cấp nước bổ sung, kích thước các tuyến kênh và công trình trên kênh thường được thiết kế cho tưới đồng thời Điều này sinh ra khó khăn cho các cán

bộ vận hành áp dụng tưới luân phiên khi cần thiết

Vận hành hệ thống: tuân theo các nguyên tắc xác định lưu lượng cần cấp cho vùng

tưới yêu cầu tùy theo từng điều kiện cụ thể Phương thức vận hành thay đổi theo lịch tưới, vận hành dựa nhiều vào các thông số thiết kế chưa phù hợp nên rõ ràng là không đảm bảo đưa ra một quyết định “tối ưu”, dẫn đến những bất cập trong vận hành

hệ thống

Ngoài ra còn có một số đặc điểm khác như sau:

Những đặc điểm trên đã đưa đến hậu quả như sau:

+ Phân phối, cung cấp nước không công bằng (trên hệ thống thường xẩy ra hiện tượng trong cùng một thời gian có nơi thừa, có nơi lại thiếu nước; có nơi nước không vào được ruộng vì không có kênh )

+ Cung cấp nước không đúng thời gian yêu cầu, không đúng số lượng; chất lượng + Hiệu quả tưới không cao; lượng nước thất thoát lớn, gây lãng phí

+ Kênh và công trình thường bị xuống cấp, năng lực phục vụ thấp, giảm tuổi thọ

2.2.2 Hệ thống tưới hiện đại

Trên thực tế không tồn tại một hệ thống kênh được hiện đại hoàn toàn, cũng không

có hình mẫu cụ thể về để áp dụng hiện đại hóa các hệ thống kênh hiện có

Tùy theo điều kiện tự nhiên và xã hội của khu tưới, đặc điểm cụ thể của hệ thống kênh và công trình cũng như khả năng về nguồn vốn đầu tư mà quyết định giải pháp công trình cũng như mức độ hiện đại hóa Ví dụ các hệ thống tưới thuộc dự án VWRAP, việc hiện đại hóa mới mới tập trung cho các kênh chính, kênh cấp 1, 2 và hoàn chỉnh đến cấp mặt ruộng cho khoảng 25% diện tích được tưới Giữa các hệ thống, mức độ hiện đại hóa cũng khác nhau: hệ thống Đá Bàn không lắp SCADA, Kênh Đông Dầu Tiếng lắp SCADA có chức năng giám sát và điều khiển từ xa, trong khi đó SCADA các hệ thống còn lại chỉ ở mức độ giám sát từ xa mà thôi

15

kênh cấp dưới với lưu lượng ổn định Công trình

điều tiết mực nước tự động

Công trình đo lưu lượng

Nói tóm lại, một hệ thống được được hiện đại hóa có một số đặc điểm chính như được

mô tả dưới đây

Hình 2.2: Các công trình chính trên hệ thống kênh tưới được hiện đại hóa

Một hệ thống tưới được đầu tư hiện đại hóa được nhằm hạn chế các khiếm khuyết của một hệ thống tưới truyền thống với các đặc điểm sau:

- Hệ thống kênh được thiết kế và xây dựng đồng bộ, có tham vấn ý kiến của cơ quan quản lý tưới và người sử dụng nước, đảm bảo đủ khả năng cấp nước cho các hộ sử dụng về lưu lượng, mực nước và thời gian yêu cầu

- Phương thức điều tiết hợp lý được lựa chọn cho hệ thống phù hợp với điều kiện địa hình và trình độ quản lý, tạo điều kiện tốt nhất cho việc điều tiết, phân phối nước

- Ngoài các công trình có ở hệ thống kênh truyền thống, hệ thống này còn được trang

bị thêm các công trình phân phối và kiểm soát mực nước gồm các công trình điều tiết

tự động hoặc bán tự động như tràn đỉnh dài, tràn đỉnh dài kết hợp cống xả (hỗn hợp);

16

các cửa van tự động như cửa van AMILL, AVIS, AVIO…; công trình điều tiết kiểu cống phẳng điều kiển bằng điện khí hóa (được cải tiến từ cổng điều tiết thông thường)…Công trình đo lưu lượng gồm các máng đo, tràn đo, đo bằng lưu tốc kế vv…

- Hệ thống SCADA có thể được lắp đặt để hỗ trợ và tham gia vào quá trình quản lý, vận hành hệ thống để tăng khả năng phục vụ của hệ thống đến các đối tượng dùng nước

- Hệ thống kênh nội đồng thuộc sự quản lý của các tổ chức dùng nước như các hợp tác xã, hiệp hội dùng nước hoặc chủ trang trại vv…Hệ thống này bắt đầu từ điểm lấy nước và bao gồm kênh mương (đất hoặc được gia cố) và các công trình phân phối nước

Phần tổ chức quản lý vận hành và bảo dưỡng được gọi là phần mềm bao gồm:

- Công ty quản lý khai thác hệ thống thủy lợi (IMC), các xí nghiệp hoặc trạm quản lý, các cụm (tổ) quản lý có đủ các cơ sở vật chất, phương tiện và nhân lực để quản lý vận hành hệ thống trên cơ sở chức năng nhiệm vụ được giao IMC quản lý, vận hành và bảo trì hệ thống theo Kế hoạch quản lý hàng năm của công ty và trên cơ sở Quy trình vận hành và Bảo dưỡng do tư vấn thiết kế lập

- Một hệ thống tưới được hiện đại hóa, ngoài việc hoàn thiện phần công trình hạ tầng (phần cứng), cần đặc biệt quan tâm đến công tác tổ chức quản lý (phần mềm) vì nếu phần mềm hoạt động không tốt thì việc đầu tư vào phần cứng sẽ không có tác dụng

2.3 Vai trò hiện đại hóa hệ thống tưới

Đầu tư nâng cấp, hoàn thiện các hệ thống tưới tiêu

Các dự án được đầu tư trong những năm gần đây, ngoài đầu tư xây dựng các công trình cấp bách, các dự án đều hướng đến hoàn thiện các hệ thống tưới tiêu hiện tại thông qua đầu tư đồng bộ từ cấp hệ thống tới nội đồng và các công trình hạ tầng có liên quan, cải thiện khả năng quan trắc và kiểm soát nguồn nước, chất lượng nước thông qua trang bị các phương tiện, tăng cường cập nhật và phân tích cơ sở dữ liệu, lắp đặt các thiết bị đo đạc để giám sát lượng nước cung cấp cho các nhóm sử dụng khác nhau trên hệ thống hỗ trợ công tác quản lý

- Phát triển thuỷ lợi tưới tiêu, cấp nước phục vụ chuyển dịch cơ cấu kinh tế, thực hiện công nghiệp hóa, hiện đại hóa nông nghiệp – nông thôn và phát triển các ngành kinh tế

xã hội, trong đó: Tập trung nâng cấp, hiện đại hoá các hệ thống thuỷ lợi hiện để phát huy và tăng tối đa năng lực thiết kế,… Tiếp tục cải thiện cơ cấu tổ chức, cơ chế quản

lý tài chính, tích cực áp dụng, cải tiến mô hình tổ chức hợp tác dùng nước, hoàn thiện thể chế, các hướng dẫn hỗ trợ cho công tác quy hoạch hệ thống tưới tiêu phục vụ ‘dồn điền đổi thừa’ trong xây dựng nông thôn mới, đào tạo nâng cao năng lực các các cấp trong quản lý hệ thống tưới tiêu, nhằm sử dụng có hiệu quả các nguồn lực đầu tư cho dịch vụ tưới/tiêu, cải thiện chất lượng cung cấp dịch vụ tưới tiêu, bảo đảm phát triển bền vững, phù hợp với đặc trưng canh tác và tập quán sản xuất của các vùng khác nhau

Tóm lại thuỷ lợi có vai trò vô cùng quan trọng trong cuộc sống của nhân dân nó góp phần vào việc ổn định kinh tế và chính trị tuy nó không mang lại lợi nhuận một cách trực tiếp nhưng nó cũng mang lại những nguồn lợi gián tiếp như việc phát triển ngành này thì kéo theo rất nhiều ngành khác phát triển theo Từ đó tạo điều kiện cho nền kinh tế phát triển và góp phần vào việc đẩy mạnh công cuộc CNH - HĐH đất nước

2.4 Lựa chọn giải pháp điều khiển hệ thống bơm tưới tiêu thủy lợi

Hơn chục năm qua, ngành thủy lợi nước ta đã bước đầu nghiên cứu ứng dụng công nghệ giám sát và điều khiển (GS&ĐK) trong quản lý vận hành (QLVH) các hệ thống thủy lợi mà chủ yếu là các hệ thống tưới (HTT) Một số HTT đã được đầu tư lắp đặt hệ thống GS&ĐK (SCADA) phục vụ khá hiệu quả cho công tác tự động hóa thu nhận dữ liệu và điều khiển các công trình trên hệ thống Tuy vậy, do các công nghệ, trang thiết

18

bị GS&ĐK đang được sử dụng ở Việt Nam hầu hết đều có xuất xứ từ nước ngoài nên thường không phù hợp với điều kiện thực tiễn Mặt khác, do công nghệ GS&ĐK rất đa dạng và lại thay đổi nhanh chóng cùng với các tiến bộ khoa học – công nghệ trong các lĩnh vực công nghệ thông tin, điện tử, truyền thông, tự động hóa, nên đến nay vẫn chưa có hệ thống SCADA nào được coi là mô hình mẫu cho việc ứng dụng công nghệ GS&ĐK trong QLVH các HTT ở Việt Nam

1

2

3

4 8

9

5

TRẠM LÀM VIỆC MẠNG TRUYỀN TIN TRUNG TÂM ĐK

1 Sensor đo mực nước

và đang được ứng dụng trên các HTT ở nước ta chưa hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu

19

GS&ĐK các HTT theo số liệu quan trắc tức thời hoặc theo định kỳ và đòi hỏi vốn đầu

tư lớn, khó có thể triển khai ứng dụng rộng rãi Các nguyên nhân chính là vì công nghệ truyền thông, thiết bị giám sát điều khiển và ngôn ngữ lập trình SCADA chưa thích hợp Trong đó, vấn đề về công nghệ truyền thông không những có vai trò quan trọng trong việc ra quyết định kịp thời, chính xác cho QLVH mà còn có liên quan nhiều đến chi phí đầu tư và duy trì hệ thống

Từ năm 2008 đến năm 2012 Dự án Hỗ trợ thủy lợi Việt Nam (VWRAP) đã nghiên cứu xây dựng 4 mô hình công nghệ GS&ĐK khác nhau là BCEOM1 SCADA (được ứng dụng ở HTT Yên Lập), BCEOM2 SCADA (được ứng dụng ở HTT Cầu Sơn – Cấm Sơn và HTT Kè Gỗ), HASKONING SCADA (được ứng dụng ở HTT Phú Ninh, Đá Bàn), BRLI SCADA (được ứng dụng ở HTTL Dầu Tiếng)

20

Dưới đây sẽ trình bày khái quát ưu, nhược điểm của các mô hình công nghệ giám sát

và điều khiển kể trên

Bảng 2.1: Mô hình công nghệ SCADA

công nghệ

1

SCADA/MAC

phổ): tức thời, tin cậy, linh hoạt

và chủ động.

- Hỗ trợ GS&ĐK qua mạng Internet.

2

VKHTLMB

SCADA

- Thiết bị SCADA có chất lượng cao và bền

- Có hỗ trợ cung cấp thông tin qua mạng WAN

- Kinh phí đầu tư khá nhiều

- Phần lớn thiết bị phải nhập ngoại

- Phần mềm tính toán vận hành độc lập với phần mềm SCADA

- Sử dụng mạng điện thoại nên tốc độ chậm, trễ tín hiệu, dễ bị nhiễu, ít chủ động

4

BCEOM1

SCADA

- Truyền thông vô tuyến UHF:

tức thời, linh hoạt và chủ động

- Thiết bị SCADA có chất lượng cao và bền

- Chi phí duy trì, bảo dưỡng nhỏ

- Vốn đầu tư lớn, thiết bị nhập ngoại

- Chỉ hỗ trợ QLVH đơn giản, phần mềm SCADA độc lập

- Truyền thông dễ bị nhiễu, độ tin cậy chưa cao

- Internet chỉ để cập nhật chống virus

- Chỉ hỗ trợ QLVH đơn giản, phần mềm QLVH độc lập với SCADA

- Sử dụng mạng điện thoại nên tốc độ chậm, thường trễ tín hiệu, ít chủ động

- Không hỗ trợ GS&ĐK qua mạng Internet

6

HASKONING

SCADA

- Truyền thông qua mạng GMS:

tin cậy, linh hoạt và chủ động

- Thiết bị vi xử lý RTU có thể mua ở trong nước, dễ thay thế

- Hỗ trợ GS&ĐK cục bộ qua

- Chỉ hỗ trợ QLVH đơn giản, phần mềm QLVH độc lập với phần mềm SCADA

- Kinh phí đầu tư và duy trì, bảo dưỡng tương đối nhiều

21

Internet

7

BRLI SCADA

- Truyền thông vô tuyến UHF:

tức thời, linh hoạt và chủ động

- Thiết bị SCADA có chất lượng cao và bền

- Chi phí duy trì, bảo dưỡng nhỏ

- Vốn đầu tư lớn, thiết bị nhập ngoại

- Phần mềm QLVH độc lập với phần mềm SCADA

- Tín hiệu dễ bị nhiễu, độ tin cậy chưa cao

Nhận xét, đánh giá và định hướng nghiên cứu

Trên toàn quốc đã có khá nhiều hệ thống SCADA được xây dựng nhưng các công nghệ GS&ĐK được sử dụng ở các hệ thống đó về cơ bản chỉ là việc ứng dụng của 1 trong số 7 mô hình công nghệ GS&ĐK đã được trình bày trên đây Các mô hình công nghệ GS&ĐK đó chưa hoàn toàn phù hợp với điều kiện thực tế và khó có thể được ứng dụng rộng rãi với các nguyên nhân, hạn chế như đã phân tích cụ thể ở trên

Hầu hết các mô hình công nghệ GS&ĐK và các hệ thống SCADA hiện nay chỉ mới có chức năng hỗ trợ quản lý vận hành các HTT vì bản thân chúng không lập ra kế hoạch vận hành HTT Điều đó đã làm cho các công nghệ GS&ĐK và các hệ thống SCADA kém linh hoạt, không đáp ứng được những yêu cầu GS&ĐK tức thời, nhanh chóng và

xử lý sự cố,

Để phát huy các ưu điểm và khắc phục những hạn chế, nhược điểm đã nêu, luận văn này đã sử dụng mạng truyền thông công nghiệp và kết hợp PLC s7 – 1200 trong nông nghiệp, đưa ra một số định hướng nghiên cứu cơ bản sau đây:

- Nghiên cứu hiện đại hóa QLVH và GS&ĐK các HTT thông qua mạng Ethernet

- Nghiên cứu từng bước hiện đại hóa giám sát, điều khiển hệ thống tưới được quản lý vận hành bằng thủ công và giai đoạn qúa độ tiến tới tự động hóa

- Nghiên cứu phát triển, ứng dụng công nghệ truyền thông hiện đại và lựa chọn thiết bị GS&ĐK đi kèm hợp lý

22

2.5 Sơ đồ hệ thống tưới cho nhiều đồng ruộng

Sơ đồ hệ thống tưới tiêu cho nhiều đồng ruộng gồm có:

Nhiều ruộng: Ruộng rau A; ruộng nho B; ruộng măng tây D;

Kênh tưới; kênh tiêu; van tưới; van tiêu B1 và van tiêu B2

Bể xả; bể hút trạm bơm; nguồn nước;

Trạm bơm: 03 bơm có cùng công suất; sử dụng nguồn điện 3 pha

Những trang trại lớn có nhiều cánh đồng, ruộng trồng nhiều loại cây trồng khác nhau, trong luận văn này chỉ giới hạn cho 3 ruộng

Tưới: 3 bơm hoạt động luân phiên, mỗi bơm hoạt theo thời gian qui định điều này phụ thuộc diện tích của ruộng, thời tiết

Tiêu: 3 bơm cùng hoạt động đến khi nào trong ruộng hết nước

Van tưới 1

V-6

V-7

V-9 V-10 V-11 V-12 V-13 V-14 V-15 V-16

Van tưới 2

V-19

V-24

V-20 V-17 V-23 V-26 V-22 V-21 V-27 V-18

Van tưới 3

V-32

V-38

V-30 V-29 V-37 V-33 V-35 V-31 V-28 V-36

nguồn

Bể hút trạm bơm

Kênh tiêu -0.5m

Kênh tưới dài 1 – 2 Km,

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống tưới tiêu

Nguyên lý hoạt động của hệ thống:

* Chu trình tự động tưới:

23

Bắt đầu vào chu trình tự động tưới các cửa BX2, C12, C22, C32 được đóng lại để giữ mức nước đưa vào ruộng Trong chế độ này, khi nước trong bể hút bị cạn, cảm biến dưới (CBD) tích cực, cửa bể nguồn (BN) được mở để cho nước từ bể nguồn chảy vào

bể hút Khi nước trong bể hút đầy, cảm biến trên (CBT) tích cực, cửa bể nguồn được đóng lại

Sau khi nước trong bể hút đầy, trạm bơm bắt đầu hoạt động Ở trạm bơm gồm 3 máy bơm làm việc luân phiên với nhau khi tưới nước

+ Máy bơm 1 chạy 1h, máy bơm 2 và 3 nghỉ

+ Máy bơm 2 chạy 1h, máy bơm 1 và 3 nghỉ

+ Máy bơm 3 chạy 1h, máy bơm 1 và 2 nghỉ

Nước từ bể xả chảy đến các ruộng Khi cảm biến ruộng xác định lượng nước trong ruộng quá thấp (mức 3 - mức thấp) thì cửa 1 của các ruộng mở (C11, C21, C31) để đưa nước từ kênh tưới vào từng ruộng Khi mức nước của từng ruộng đạt mức 2 (mức trung bình) thì cửa một của các ruộng đóng lại Đồng thời 3 máy bơm ngừng chạy

* Chu trình tự động tiêu:

Ở chu trình này các cửa BN, BX1, C11, C21, C31 được đóng hoàn toàn để đảm bảo nước trong hệ thống chỉ chảy về bể nguồn Khi cảm biến ruộng xác định lượng nước trong ruộng quá cao (mức 1 - vượt qua mức chịu đựng của cây trồng) thì cửa C12, C22, C32 được mở, nước chảy về bể hút đến khi nào lượng nước trong ruộng đến mức cây chịu được (mức 2 – mức trung bình) thì cửa C12, C22, C32 sẽ đóng lại Khi nước chảy về bể hút cảm biến xác nhận thì 3 máy bơm thực hiện việc tiêu nước, cổng BX2 được mở tự động theo mực nước ở bể hút để tránh bị tràn

* Cơ cấu vận hành:

Có nhiệm vụ chuyển dổi tín hiệu điều khiển thành các tín hiệu vật lí điều khiển quá trình tưới tiêu nước

Cơ cấu chấp hành của hệ thống tưới tiêu bao gồm động cơ bơm, động cơ cửa cống và

hệ thống đèn báo, cụ thể như sau:

24

- Trạm bơm có 3 máy bơm đặt tại trạm bơm trung tâm

- Ở bể nguồn có 1 cửa BN dẫn nước vào bể hút

- Ở kênh tiêu có 3 cửa C12, C22, C32 dẫn nước về bể nguồn Mỗi ruộng 1 cửa tiêu

- Ở kênh tưới có 3 cửa C11, C21, C31 dẫn nước vào ruộng Mỗi ruộng 1 cửa

- Hệ thống nút bấm và đèn báo hiệu hiển thị trạng thái làm việc của các động cơ bơm

và động cơ cửa cống

- Sử dụng module analog để đọc mức nước tại ruộng và hiển thị trên màn hình

- Sử dụng các mô đun Analog để đọc mức nước, độ ẩm, nhiệt độ, lượng mưa, độ

pH

* Các cảm biến:

Cảm biến là biến đổi các đại không điện thành đại lượng điện

Hệ thống sử dụng các loại cảm biến (CB): CB mức nước bể hút, ruộng lúa; CB nhiệt

độ, độ ẩm, lượng mưa, độ pH ở các ruộng trồng nho và hoa màu

CB mức nước ở ruộng: thông báo kết thúc chu trình tưới nước và tiêu nước

CB trong bể hút có tác dụng điều khiển các bơm hoạt động, cửa cống tiêu hoạt động Nhiệm vụ thiết yếu xuyên suốt đặt ra trong mô hình này là việc điều khiển các máy bơm, cửa cống sao cho lượng nước trong ruộng luôn ở trong một mức mà ta mong muốn

Việc điều khiển được tiến hành bằng máy tính và PLC S7-1200 thông qua giao diện điều khiển trên màn hình máy tính và chương trình điều khiển trong PLC hệ thống đèn báo và các đèn LED trên bảng điều khiển chỉ làm nhiệm vụ hiển thị trạng thái các bơm

và cửa cống Trong luận văn này việc thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu và thực hiện chương trình điều khiển dựa trên mô hình mô phỏng và hệ thống bảng điều khiển có sẵn

Yêu cầu của nội dung luận văn đặt ra bài toán điều khiển cần giải quyết là:

sử dụng để đưa ra quyết định thông minh hơn Đây được gọi là nông nghiệp chính xác (hoặc canh tác chính xác) Một định nghĩa của nông nghiệp chính xác có thể là như sau: kỹ thuật áp dụng đúng số lượng đầu vào (nước, phân bón, thuốc trừ sâu,…) vào đúng vị trí và vào đúng thời điểm để tăng cường sản xuất và nâng cao chất lượng

26

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG PLC S7 – 1200 TRONG TỰ ĐỘNG HÓA TƯỚI

TIÊU THỦY LỢI 3.1 Tổng quan thiết bị

Hình 3.1: CPU PLC S7-1200

Bộ điều khiển khả trình (PLC) S7-1200 mang lại tính linh hoạt và sức mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các yêu cầu về điều khiển tự động Sự kết hợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt và tập lệnh mạnh mẽ đã khiến cho S7-1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều khiển nhiều ứng dụng đa dạng khác nhau[9]

Kết hợp một bộ vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, các mạch ngõ vào và mạch ngõ ra trong một kết cấu thu gọn, CPU trong S7-1200 đã tạo ra một PLC mạnh mẽ Sau khi người dùng tải xuống một chương trình, CPU sẽ chứa mạch logic được yêu cầu để giám sát và điều khiển các thiết bị nằm trong ứng dụng CPU giám sát các ngõ vào và làm thay đổi ngõ ra theo logic của chương trình người dùng, có thể bao gồm các hoạt động như logic Boolean, việc đếm, định thì, các phép toán phức hợp và việc truyền thông với các thiết bị thông minh khác

Các kiểu CPU khác nhau cung cấp một sự đa dạng các tính năng và dung lượng giúp cho người dùng tạo ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau:

S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO)

27

Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển:

+ Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC

+ Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP

S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP Ngoài ra bạn có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc RS232