XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐẬP VÀ HỒ CHỨA TÍCH HỢP VỚI SCADA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3. LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Trong đó, phần mềm PLC S7-200 được dùng để tính toán giá trị từ Sensor đo mực nước hồ bằng cảm biến RADA và tích hợp vào hệ thống SCADA của nhà máy theo phương thức truyền tín hiệu cáp q

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐINH THÀNH VIỆT

Đà Nẵng - Năm 2018

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả tính toán nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

NGUYỄN ĐÌNH TRUNG

NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3

Học viên: NGUYỄN ĐÌNH TRUNG Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã số: 60520202 Khóa: K33.KTĐ.LĐ Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Luận văn đề xuất phương pháp giám sát Đập và Hồ Chứa nhà máy thủy

điện Đồng Nai 3, tại phòng điều khiển trung tâm nhà máy Bằng việc thiết kế và tích hợp vào hệ thống SCADA nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 Hệ thống được xây dựng trên hai phần mềm riêng biệt Trong đó, phần mềm PLC S7-200 được dùng để tính toán giá trị từ Sensor đo mực nước hồ bằng cảm biến RADA và tích hợp vào hệ thống SCADA của nhà máy theo phương thức truyền tín hiệu cáp quang tới phòng điều khiển trung tâm Bên cạnh đó trong luận văn sử dụng phần mềm Multilogger để thu thập dữ liệu, giám sát Đập nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 từ các Sensor chuyên dụng như Sensor giám sát nhiệt độ thân Đập, Sensor giám sát áp lực thấm, Sensor giám sát chuyển dịch vị trí hành lang Đập, đồng thời tích hợp vào hệ thống SCADA của nhà máy từ đây sẽ giám sát Đập theo chù kỳ yêu cầu

Từ khóa - SCADA, Giám sát Đập, Giám sát Hồ Chứa, Sensor, PLC S7-200,

Multilogger

BUILD THE MONITOR SYSTEM SPILLWAY AND RESERVOIR WITH

SCADA DONG NAI 3 HYDRO POWER PLANT Abstract - The thesis proposes the method of monitoring the Spillway and Reservoirs

of the Dong Nai 3 hydro power plant in the center control room of the plant By designing and integrating into SCADA system of Dong Nai 3 hydro power plant The system is built on two separate software In particular, PLC S7-200 software is used to calculate the value from the lake water level sensor by RADA sensor and integrate into the plant's SCADA system by signaling the fiber to the centel control room Besides, in the thesis uses Multilogger software to collect data and monitor Spillway

of Dong Nai 3 hydropower plant from specialized sensors such as Spillway body temperature sensor, pressure sensor, The Spillway will also be integrated into the plant's SCADA system, which will monitor the Spillway at the required intervals

Key words - SCADA, Spillway Monitoring, Reservoir Monitoring, Sensor, PLC

S7-200, Multilogger

TRANG BÌA

LỜI CAM ĐOAN

TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT, TIẾNG ANH

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và công cụ nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài 2

6 Bố cục đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3 3

1.1 Giới thiệu sơ lược về nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 3

1.2 Vai trò của nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 3

1.3 Các hạng mục công trình nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 3

1.4 Các thông số chính công trình nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 3

1.5 Kết luận chương 1 6

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH SCADA GIÁM SÁT MỰC NƯỚC HỒ CHỨA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3 7

2.1 Giới thiệu chung về hệ thống SCADA nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 7

2.1.1 Tổng quan sơ đồ kết nối SCADA nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 7

2.1.2 Phân quyền, giám sát SCADA nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 7

2.1.3 Các thiết bị chính trong mạng SCADA nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 8

2.1.3.1 Bộ điều khiển AC800M 8

2.1.3.2 Modul S800 I/O 8

2.1.4 Vai trò và hiện trạng việc giám sát SCADA mực nước hồ chứa NMTĐ Đồng Nai 3 10

2.2 Tính toán lựa chọn sensor mực nước hồ chứa 10

2.2.1 Quan hệ giữa mực nước và diện tích hồ chứa NMTĐ Đồng Nai 3 10

2.2.2 Lựa chọn sensor mực nước 12

2.2.2.1 Giới thiệu các loại sensor đo mực nước 12

thủy điện Đồng Nai 3 16

2.3.1 Đường truyền thông trong hệ thống SCADA 16

2.3.2 Trung tâm thu thập và xử lý số liệu 16

2.3.3 Phần mềm xử lý tín hiệu 17

2.3.3.1 Phần mềm tính toán tại chỗ 17

2.3.3.2 Phần mềm điều khiển trung tâm 17

2.4 Thiết kế hệ SCADA giám sát mực nước nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 18

2.4.1 Các thiết bị chính tủ giám sát tại chỗ 18

2.4.1.1 CPU 226 DC/DC/DC 18

2.4.1.2 Modul Analog (AI) EM 231 19

2.4.1.3 Modul quang điện MOXA 21

2.4.1.4 Phương trình tính toán mực nước hồ 23

2.4.1.5 Đặt vấn đề 23

2.4.1.6 Phương trình tính toán 23

2.4.2 Chương trình PLC S7-200 23

2.5 Các hình ảnh thực tế của hệ thống 33

2.5.1 Giao diện hiện thị 33

2.5.2 Biểu đồ dữ liệu 33

2.5.3 Hình ảnh lắp đặt thực tế hệ thống 34

2.6 Kết Luận chương 2 37

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH SCADA GIÁM SÁT ĐẬP NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3 38

3.1 Giám sát chất đập nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 38

3.1.1 Mục đích và ý nghĩa của giám sát đập 38

3.1.2 Nhiệm vụ của công tác giám sát đập 38

3.1.3 Nội dung của công tác giám sát đập 38

3.1.4 Vai trò, hiện trạng của hệ thống giám sát đập NMTĐ Đồng Nai 3 39

3.1.4.1 Vai trò 39

3.1.4.2 Hiện trạng hệ thống giám sát đập NMTĐ ĐN3 40

3.2 Tổng quan hệ thống giám sát đập nhà máy TĐĐN3 40

3.2.1 Giới thiệu về đập nhà máy TĐĐN3 40

3.2.2 Các thiết bị giám sát lắp đặt bên trong đập nhà máy TĐĐN3 41

3.2.3 Giới thiệu các thiết bị giám sát 42

3.2.3.1 Sensor đo áp lực thấm tự động 42

3.2.3.4 Sensor đo chuyển dịch vị trí 2D, 3D 48

3.2.3.5 Bộ dồn kênh multilogger (MUX) 51

3.3 Thiết kế hệ SCADA giám sát đập nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 53

3.3.1 Sơ đồ mạng truyền thông SCADA trong hệ thống giám sát 53

3.3.2 Các thiết bị chính trong hệ thống SCADA giám sát đập 54

3.3.2.1 Khối xử lý tín hiệu 54

3.3.2.2 Khối truyền và thu thập dữ liệu 55

3.4 Xây dựng chương trình tính toán và thu thập dữ liệu SCADA giám sát đập 57

3.4.1 Thiết lập đường truyền thông 57

3.4.2 Chương trình tính toán SCADA giám sát đập 58

3.4.2.1 Xây dựng chương trình 59

3.4.2.2 Lưu trữ dữ liệu 65

3.5 Các hình ảnh thực tế hệ thống 66

3.5.1 Giao diện hiện thị 66

3.5.2 Hình ảnh lắp đặt thực tế hệ thống 67

3.6 Kết Luận Chương 3 68

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)

BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN

ĐKTT : Phòng điều khiển trung tâm

LCU : Tủ điều khiển tại chỗ

MUX : Hộp dồn kênh multilogger

NMTĐ DN3 : Nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

PLC : Chương trình điều khiển

SCADA : Hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu

Số hiệu Tên bảng Trang

1.1 Các thông số chính nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 4

2.1 Quan hệ khi sai số cho phép của mực nước là 1mm và

2.2 Bảng thông số kĩ thuật sensor Vega Plus 15 3.1 Bảng số liệu thống kê thiết bị lắp đặt giám sát đập 41 3.2 Thông số đầu vào sensor đo áp lực thấm 43 3.3 Thông số đầu vào sensor đo nhiệt độ bêtông 45 3.4 Thông số đầu vào sensor đo ứng suất bêtông 48 3.5 Thông số đầu vào sensor đo chuyển dịch vị trí 50

Số hiệu Tên hình Trang

2.1 Sơ đồ kết nối SCADA nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 7

2.4 Dạng mạng kết nối kiểu duplex và simplex 10 2.5 Biểu đồ quan hệ dung tích và mực nước hồ F = f(z) 11

2.10 Khoảng cách lắp đặt so với bề mặt của tường chắn 15 2.11 Lắp bộ cảm biến radar với môi trường truyền vào 15 2.12 Sơ đồ truyền thông sử dụng modem của hệ SCADA 16

2.17 sơ đồ khối logic input tín hiệu modul EM 231 20

2.19 Modul chuyển đổi tín hiệu RS485 to Converter 21

2.20 hình SCADA giám sát mực nước tại phòng điều khiển

2.22 Vận hành hệ thống SCADA giám sát mực nước hồ

2.23 Sensor lắp đặt thực tế trên hồ thủy điện NMTĐ ĐN3 34 2.24 Tủ điều khiển giám sát tại chỗ với PLC S7-200 35 2.25 Các thiết bị chính trong tủ điều khiển tại chỗ 35 2.26 Các thiết bị kết nối tủ điều khiển trung tâm 36

3.2 Sơ đồ bố trí thiết bị hành lang đập nhà máy TĐDN3 41

3.6 Sensor ứng suất khi lắp đặt 47

3.8 Bố trí sensor chuyển dịch vị trí ba chiều 49 3.9 Bố trí sensor chuyển dịch vị trí hai chiều 49

3.13 Sơ đồ kết nối truyền thông mạng SCADA giám sát đập 54

3.32 Màn hình SCADA giám sát thông số đập NMTĐ DN3 66

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, tốc độ công

nghiệp hoá tăng nhanh Trong sự phát triển kinh tế đất nước sau hơn 40 năm đổi

mới, thủy điện đóng vai trò vô cùng to lớn, và là một cấu phần quan trọng của ngành điện đảm bảo cung ứng điện cho quá trình hội nhập kinh tế quốc tế

Hiện nay cả nước có 330 công trình thủy điện với tổng công suất 17.615 MW đang vận hành Năm 2017, sản lượng điện sản xuất từ thủy điện đạt 63, 73 tỷ kWh, chiếm 32% tổng sản lượng điện năng của cả nước Đây là nguồn năng lượng sạch,

có khả năng tái tạo, giá thành rẻ hơn so với các nguồn khác

Các hồ chứa của công trình thủy điện với tổng dung tích khoảng 56 tỷ m3

, chiếm 86% tổng dung tích hồ chứa trên cả nước, đã góp phần quan trọng vào việc cắt lũ cho hạ du và sản xuất điện năng Vào mùa cạn, các hồ này cung cấp nước cho khu vực hạ du góp phần vào việc bảo đảm an ninh lương thực và trật tự, an toàn xã hội

Hiện nay, giám sát mực nước hồ chứa chính xác trong mùa lũ nhằm điều tiết lưu lượng xả rất quan trọng, cũng như việc giám sát mực nước hồ chứa trong vận hành liên hồ khi tham gia thị trường điện cần đảm bảo sự tối ưu Trong khi đó việc giám sát mực nước bằng camera do con người đọc không thực sự tin cậy và chính xác

Ngoài ra, chất lượng đập thủy điện là yếu tố quan trọng bậc nhất trong vận hành một nhà máy thủy điện, nó liên quan tới sự an toàn của tổ máy và vùng hạ du Cho nên việc giám sát chất lượng đập hàng ngày, hàng giờ là yếu tố tiên quyết để đảm bảo chất lượng đập nằm trong phạm vi cho phép để tiếp tục vận hành

Vì vậy việc ứng dụng hệ thống SCADA nhằm giám sát mực nước hồ thủy điện và giám sát đập nhằm vận hành an toàn, tối ưu là một nhiệm vụ quan trọng trong vấn đề vận hành nhà máy thủy điện hiện nay

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục đích của luận văn là xây dựng chương trình SCADA giám sát đập và hồ chứa nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 tại phòng điều khiển trung tâm

3 Đối tượng và công cụ nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: hồ chứa và đập nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 Công cụ nghiên cứu của đề tài là: Phần mềm PLC S7-200, và phần mềm PC 200W, Phần mềm Multilogger

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu logic, giám sát SCADA nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

Nghiên cứu quy trình giám sát đập nhà máy thủy Đồng Nai 3

Xây dựng chương trình giám sát mực nước hồ từ phòng điều khiển trung tâm tại nhà máy

Xây dựng chương trình tính toán các đầu dò giám sát đập sử dụng phần mềm PC 200W, phần mềm Multilogger

Phương thức SCADA giám sát đập nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

Xây dựng chương trình và thực nghiệm tại nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

5 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Xây dựng lên hệ thống SCADA giám sát mực nước hồ và chất lượng đập nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 Nhằm giúp công ty thủy điện Đồng Nai quản lý và vận hành tối ưu, an toàn nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

6 Bố cục đề tài

Căn cứ vào mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu luận văn được đặt tên như sau:

“XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐẬP VÀ HỒ CHỨA TÍCH HỢP

VỚI SCADA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3.”

Nội dung luận văn gồm các chương như sau:

- Chương 1 Tổng quan về nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

- Chương 2 Xây dựng chương trình SCADA giám sát mực nước hồ nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

- Chương 3 Xây dựng chương trình SCADA giám sát đập nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3

1.1 Giới thiệu sơ lược về nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

Nhà máy Thủy điện Đồng Nai 3 trên sông Đồng Nai được khởi công ngày 26/12/2004 Nhiệm vụ chính của công trình là phát điện cho hệ thống điện Quốc Gia với sản lượng điện hàng năm là 607,1 triệu kWh

Nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 nằm trên nhánh sông Đồng Nai trên địa phận huyện ĐakGlong tỉnh ĐakNông, lưu lượng chủ yếu về hồ Đồng Nai 3 là từ thủy điện Đồng Nai 2 (thượng nguồn của thủy điện Đồng Nai 2 là từ thuỷ điện Đa Nhim, thủy điện Đa Dâng, thủy điện Suối Vàng và xả tràn từ thủy điện Đại Ninh)

Thủy điện Đồng Nai 3 nằm cách TP Hồ Chí Minh là 275 Km theo hướng tây bắc, công trình nằm trên địa phận 5 xã: Lộc Lâm (huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng);

xã Đinh Trang Thượng (huyện Di Linh – tỉnh Lâm Đồng); xã Tân Thành (huyện Lâm Hà – tỉnh Lâm Đồng); xã Đắk Nia, xã Đắk Blao (huyện Đắc Blong – tỉnh Đắk Nông)

1.2 Vai trò của nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

Là nguồn cung cấp nước chính cho hồ chứa thủy điện Đồng Nai 4, góp phần làm tăng sản lượng điện cho nhà máy thuỷ điện Đồng Nai 4 và các nhà máy hạ lưu sông Đồng Nai

Góp phần giảm lũ cho hạ lưu, ổn định đời sống cho nhân dân trong khu vực, tạo cảnh quan du lịch, giao thông và thủy sản…

Đảm bảo hiệu quả phát điện với điện lượng trung bình hàng năm là 607, 1 triệu KWh

1.3 Các hạng mục công trình nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

- Đập chính trên sông Đồng Nai

- Đập tràn xả lũ có 5 cửa tràn

- Tuyến năng lượng gồm có cửa lấy nước và một đường hầm dẫn nước khoảng 962m

- Nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 lắp đặt 2 máy phát điện có tổng công suất là

180 Mw và các thiết bị liên quan

Bảng 1.1 Các thông số chính nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

I Thông số hồ chứa

3 Lưu lượng đỉnh lũ thiết kế P = 0, 02% m3/s 14.300

4 Lưu lượng đỉnh lũ kiểm tra P= 0, 5% m3/s 7.140

5 Lưu lượng đỉnh lũ kiểm tra P= 0, 1% m3/s 10.400

II.2 Công trình xả

1 Tràn xả mặt có cửa van cung

3 Số lượng và kích thước khẩu độ van m 5(14x17,5)

4 Lưu lượng thiết kế tại MNDBT m3/s 10.188

III Cửa nhận nước

III.1 Kênh dẫn vào cửa lấy nước

TT Thông số Đơn vị Số lượng

III.3 Cửa van sửa chữa

III.4 Cửa van vận hành

IV Tuyến năng lượng

IV.1 Đường hầm áp lực

TT Thông số Đơn vị Số lượng

IV.2 Đường ống áp lực

5 Đường kính ngoài kết nối đường hầm m 8m

V Nhà máy thủy điện

7 Điện lượng bình quân năm 106 Kwh 607,1

Một trong các hệ thống cần được giám sát từ xa trên mạng SCADA của nhà là

hệ thống giám sát mực nước hồ và đập, bởi vì đây là công trình đầu mối tuyến năng lượng của nhà máy

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH SCADA GIÁM SÁT MỰC NƯỚC HỒ

CHỨA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3

2.1 Giới thiệu chung về hệ thống SCADA nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

2.1.1 Tổng quan sơ đồ kết nối SCADA nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

Hệ thống điều khiển nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 là hệ thống điều khiển SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) điều khiển giám sát thu thập

dữ liệu sử dụng nền tảng là các bộ điều khiển AC 800M của nhà sản xuất ABB Hệ thống được bố trí phân tán trên 7 LCU (Local control unit) cùng với hệ thống máy tính giám sát, thu thập dữ liệu Tất cả được kết nối với nhau tạo nên một hệ thống điều khiển kép, cấu trúc dự phòng nóng (Redundency), cùng với 2 vòng điều khiển

(loop A, loop B) cáp quang kết nối với chuẩn Erthernet (TCP/IP) tốc độ 100 Mps

Hình 2.1 Sơ đồ kết nối SCADA nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

2.1.2 Phân quyền, giám sát SCADA nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

Hệ thống điều khiển nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 được phân thành 4 cấp:

 Cấp 1: Là cấp cho phép điều khiển từ A0, A3 Tín hiệu điều khiển được viết theo chuẩn IEC 60870-5-101, các tín hiệu gửi về hệ thống SCADA là dạng tín hiệu 1bit và 2bit

 Cấp 2: Là cấp cho phép điều khiển từ control room Tại cấp 2 người vận

hành được phép điều khiển từ phòng điều khiển trung tâm

 Cấp 3: Là cấp điều khiển cho phép người vận hành điều khiển các thiết bị tại trạm điều khiển tại chỗ LCU

 Cấp 4: Là cấp điều khiển cuối cùng và thấp nhất cho phép người vận hành điều khiển trực tiếp tại thiết bị chấp hành

2.1.3 Các thiết bị chính trong mạng SCADA nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

2.1.3.1 Bộ điều khiển AC800M

Hình 2.2 Bộ điều khiển PLC ABB AC800M

 CPU: phần điều khiển chính nơi lưu trữ dữ liệu và xử lý tín hiệu Dung lượng bộ nhớ 32MB, tần số xử lý 96 MHz và được hỗ trợ 4 cổng kết nối truyền thông

 CN1, CN2 dùng để kết nối network chính (primary) và phụ (redundancy)

 Com3, 4 (RS -232) dùng để kết nối với máy tính và các modul xử lý khác

 Optical moduleBus: dùng để kết nối truyền thông với các trạm cluster IO

 Bộ communication modules: chức năng truyền thông tin dữ liệu từ trạm này đến trạm khác có thể gắn tối đa 12 modules truyền thông

2.1.3.2 Modul S800 I/O

Là các modul xử lý tín hiệu vào ra DI, DO, AI, AO

Hình 2.3 Các modul S800 I/O

 Module DI 810, 830 có 16 kênh input dùng điện áp 24 VDC, 0.5A 16 kênh được chia thành 2 nhóm mỗi nhóm 8 kênh cách biệt với điện áp giám sát cho mỗi nhóm

 Module DO 810 có 16 kênh output dung điện áp 24 Vdc, được chia thành 2 nhóm cách biệt, đươc bảo vệ quá áp, quá nhiệt, dòng tải max là 0.5 A, có chức năng OSP set giá tri khi mất truyền thông

 Module AI 810 dùng 8 kênh với tín hiệu analog input 4- 20 mA, 0-20 mA, 0-10V hoặc 2 -10 V dc, một nhóm cho 8 kênh., đươc bảo vệ quá áp, quá nhiệt, dòng tải

 Module AO810 dùng 8 kênh output analog 0-20 mA, 4-20 mA, có chức năng OSP set giá trị trước khi mất truyền thông

 Module TB 840A dùng để kết nối trạm IO truyền thông dạng optical modulebus (đường truyền quang) Kiểu kết nối đơn hoặc kép (nhà máy dung kiểu kép), tùy vào vật liệu đường truyền mà khoảng cách giữa các trạm TB là 15m (cáp

nhựa plactis fiber) hay 200m (cáp HCS fiber) , dưới đây là phương thức kết nối

Hình 2.4 Dạng mạng kết nối kiểu duplex và simplex

2.1.4 Vai trò và hiện trạng việc giám sát SCADA mực nước hồ chứa NMTĐ Đồng Nai 3

NMTĐ Đồng Nai 3 có diện tích mặt hồ rộng 56Km2, vì vậy việc giám sát mực nhằm đảm bảo vận hành tối ưu nguồn nước cho phát điện và an toàn vùng hạ du là rất quan trọng Tuy nhiên hệ thống còn nhiều hạn chế như sau:

Hiện nay mực nước hồ đang được giám sát bằng camera tại ngay thước đo mực nước hồ, mà không có tín hiệu truyền về trung tâm cách nhà máy 5 km

Khi mùa lũ xảy ra việc giám sát mực nước nhằm vận hành hồ chứa liên hồ điều tiết lũ gặp khó khăn do sự dao động của sóng, và lưu lượng về hồ lớn dẫn đến việc giám sát mực nước bằng camera sẽ không tin cậy và chính xác

2.2 Tính toán lựa chọn sensor mực nước hồ chứa

2.2.1 Quan hệ giữa mực nước và diện tích hồ chứa NMTĐ Đồng Nai 3

Nhằm tính toán lựa chọn cấp chính xác của sensor để đảm bảo sự sai lệch do sai số sẽ được tính cho dung tích lòng hồ và lưu lượng chảy Thể hiện qua quan hệ dung tích và mực nước trong hồ F= f (z) Được xây dựng trên cơ sở đo diện tích lòng hồ và ứng với các cao độ mực nước khác nhau

Hình 2.5 Biểu đồ quan hệ dung tích và mực nước hồ F = f(z)

Do NMTĐ Đồng Nai 3 vận hành trong mực nước cho phép từ 570-590m Vì vậy việc tính toán lựa chọn sensor sẽ nằm trong khoảng này Trong phạm vi luận văn giả sử quan hệ dung tích và mực nước là tuyến tính, thì công thức tính quan hệ này là:

Vậy có thế nhận thấy với độ sai lệch chỉ 1mm đến 2mm thì diện tích lòng hồ

bị tính toán trong vận hành hồ bị sai lệch khá lớn khi mực nước càng lên cao Vì vậy ta chọn sensor có độ sai lệch nhỏ nhất là 1mm

2.2.2 Lựa chọn sensor mực nước

2.2.2.1 Giới thiệu các loại sensor đo mực nước

Hiện nay, trên thị trường có nhiều loại sensor đo mực nước với phương thức khác nhau, độ sai số khác nhau, ta có thể kể qua một số loại như sau

a Cảm biến đo mức áp suất

Thiết bị đo kiểu áp suất hoạt động theo nguyên lý khá đơn giản, dưới tác dụng của áp lực chất lỏng lên bề mặt tiếp xúc của đầu đo, gây nên sự biến dạng của các phần tử chuyển đổi, từ đó sẽ biến thành tín hiệu điện để đưa ra đầu ra Cũng như các loại Sensor mức khác Sensor kiểu áp suất có thể dùng để đo mức của chất lỏng như xăng dầu, ga, nước…vv Thiết bị đo theo nguyên lý áp suất tỷ lệ với chiều cao cột nước đo theo công thức tổng quát như sau:

P = ρ * g * h

Trong đó:

ρ - Tỉ trọng của chất lỏng cần đo

g - Gia tốc trọng trường

h - Chiều cao cột nước tại vị trí đặt Sensor Thiết bị đo áp suất có dải đo linh hoạt hơn Sensor siêu âm, nó thường có dải

đo 0 ÷ 20m và thi công lắp đặt dễ dàng Dải nhiệt độ làm việc của thiết bị trong khoảng 10 ÷ 800C, sai số bằng 0.3% của dải đo Như vậy loại Sensor này có ưu điểm là dải đo lớn, lắp đặt đơn giản nhưng có nhược điểm là do thiết bị được đặt trong lòng chất lỏng nên thiết bị luôn phải tiếp xúc với các tác nhân gây hại cho thiết bị như các chất oxy hoá cao, các chất bẩn đục gây sai số cho thiết bị, đây là những nhược điểm lớn nhất của loại Sensor kiểu áp suất

Hình 2.6 Cảm biến đo áp suất

b Cảm biến đo mức siêu âm

Là cảm biến hoạt động dựa trên một sóng âm, được phát ra từ bộ biến năng điện áp đến bề mặt của một vật liệu cần đo Bộ truyền âm đo từ lúc gửi tín hiệu cho tới khi nhận được tín hiệu phản hồi

Hình 2.7 Cảm biến đo mức siêu âm

 Ưu điểm: độ sai số thấp, không cần tiếp xúc với môi trường cần đo

 Nhược điểm: giá thành cao, không chính xác khi môi trường dẫn sóng có nhiều tạp âm

c Thiết bị đo kiểu Điện dung

Do nguyên lý sử dụng là sự thay đổi diện tích điện môi giữa hai bản tụ điện khi đặt trong môi trường chất lỏng, loại này thường sử dụng cho những môi trường chất lỏng đồng nhất Do vậy loại thiết bị đo này thích hợp với công trình có mức đồng chất của chất lỏng cao, những nơi mà nước không đồng chất như các hồ chứa,

nước trong kênh lâu ngày chất lượng nước sẽ không đồng nhất, nó sẽ mất tuyến tính khi chất lượng nước thay đổi, gây sai số của phép đo mực nước nên loại thiết bị đo theo nguyên lý này không phù hợp với công trình đo có chất lỏng không đồng nhất

d Cảm biến rada dẫn sóng

Là thiết bị đo mức có công nghệ hiện đại nhất hiện nay, sử dụng đầu dò để dẫn sóng điện từ cao tần từ bộ biến âm đến vật cần đo Rada dẫn sóng hoạt động dựa trên nguyên lý bộ hoạt động miền thời gian (TDR) Với TDR một xung sóng điện từ năng lượng thấp được dẫn dọc đầu dò Khi xung này tiếp xúc với bề mặt cần đo, năng lượng xung được phản xạ về đầu dò và mạch đo, sau đó phần xử lý tín hiệu sẽ xử lý

và tính toán mức chất lỏng dựa trên sự sai khác về xung gửi đi và xung nhận về

 Ưu điểm: độ sai số, và sự chính xác cao, có khả năng làm việc tốt trong môi trường có nhiều tạp âm, sự dao động, hơi nước không gây ảnh hưởng đến thiết bị

 Nhược điểm: giá thành cao

Hình 2.8 Cảm biến rada dẫn sóng 2.2.2.2 Lựa chọn sensor mực nước hồ nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

a Thông số kỹ thuật

Dựa vào đặc tính ưu và nhược điểm kể trên, cùng với mong muốn có độ chính xác cao trong việc giám sát mực nước hồ nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 Luận văn lựa chọn sensor mực nước theo nguyên lý của cảm biến rada dẫn sóng Sensor lựa chọn của hãng Vega Plus có thông số kỹ thuật như sau:

Hình 2.9 Sensor mực nước Vega Plus

Bảng 2.2: Bảng thông số kĩ thuật sensor Vega Plus

Hình 2.10 Khoảng cách lắp đặt so với bề mặt của tường chắn

Ngoài ra, không gắn sensor trên bề mặt dòng chảy của nước, để tránh sự sai

số

Hình 2.11 Lắp bộ cảm biến radar với môi trường truyền vào

2.3 Mạng truyền thông của hệ thống SCADA giám sát mực nước hồ chứa nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

2.3.1 Đường truyền thông trong hệ thống SCADA

Mạng truyền thông SCADA là các mạng truyền thông công nghiệp như Profilebus, Feildbus, Modbus…vv làm nhiệm vụ truyền thông, trao đổi dữ liệu hiện trường, dữ liệu điều khiển giữa máy tính trung tâm và các thiết bị với nhau Tùy thuộc vào khoảng cách và mức độ yêu cầu có thể lựa chọn mạng truyền thông phù hợp như trực tiếp bằng RS232 hoặc RS485, với các hệ thống có khoảng cách từ thiết bị đến máy tính trung tâm lớn (thường lớn hơn 1km) thì phải dùng phương thức truyền thông qua đường điện thoại công cộng nhờ tổng đài điện thoại công cộng, mạng cáp quang hay có thể là mạng internet

Trong trường hợp các trạm phân bố trên diện tích rộng, đường truyền này có thể là một đường điện thoại công cộng, một đường truyền cáp quang, đường truyền

vô tuyến

Hiện nay, mạng truyền thông SCADA nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 đã được xây dựng hiện hữu đường truyền cáp quang từ LCU 6 (đập tràn về máy tính trung tâm) Do vậy hệ thống SCADA giám sát mực nước hồ sẽ tích hợp từ sensor mực nước qua hệ thống giám sát tại chỗ vào hệ thống LCU 6 Đường truyền cáp quang

có nhiệm vụ truyền thông tin trao đổi giữa máy tính và thiết bị đầu cuối, nó đóng vai trò như một cầu nối thông tin giữa trung tâm giám sát và thiết bị đầu cuối do vậy chất lượng đường truyền ảnh hưởng lớn đến chất lượng trao đổi thông tin của hệ thống giám sát

Do yêu cầu của việc truyền tin trong hệ SCADA chiếm vị trí quan trọng bậc nhất, nó phải đảm bảo truyền đủ thông tin, nhanh, chính xác trong thời gian thực nên chất lượng đường truyền quyết định rất lớn đến chất lượng hoạt động của hệ thống SCADA

Hình 2.12 Sơ đồ truyền thông sử dụng modem của hệ SCADA

2.3.2 Trung tâm thu thập và xử lý số liệu

Trung tâm thu thập và xử lý số liệu (Trung tâm điều hành) là bộ phận đầu não của hệ thống Nhiệm vụ chính của trung tâm bao gồm: Lưu trữ và kiểm soát, thống

kê dữ liệu quan trắc của hệ thống, đưa ra quyết định điều hành hệ thống, đưa ra các

cảnh báo trong quá trịnh vận hành hệ thống, thống nhất các chuẩn giao tiếp giữa thiết bị và máy tính điều khiển trung tâm, hiển thị các giá trị mực nước theo giá trị thực và giá trị lưu trữ trong cơ sở dữ liệu, thiết lập báo cáo dữ liệu mực nước theo thời gian thực, tạo giao diện giữa người sử dụng và thiết bị chấp hành điều khiển

2.3.3 Phần mềm xử lý tín hiệu

Phần mềm xử lý có các chức năng chính là thu thập các số liệu về trạng thái làm việc của hệ thống từ xa với chu kỳ lấy mẫu nhất định Hệ thống được xây dựng với cấu trúc phần mềm tính toán tại chỗ (đập tràn) và phần mềm xử lý tín hiệu trung tâm

2.3.3.1 Phần mềm tính toán tại chỗ

Hệ thống tính toán mực nước tại chỗ được lập trình bởi bộ lập trình logic khả trình PLC S7-200 là phần mềm loại nhỏ của hãng Siemens có cấu trúc theo kiểu module và có các module mở rộng Các module này đươc sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau Ưu điểm của hệ thống khi chọn PLC S7-200 là giá thành

rẻ, dễ lập trình, và có modul đọc các tín hiệu analog 4-20mmA do sensor phát ra

Hình 2.13 Cấu trúc cơ bản của PLC S7-200 2.3.3.2 Phần mềm điều khiển trung tâm

Phần mềm trung tâm hiện hữu của nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 được sử dụng của PLC AC800M của hãng ABB Đây là phần mềm giám sát, điều khiển các thiết

bị chấp hành trong nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 Do vậy hệ thống sẽ làm nhiệm

vụ bắt tay truyền thông từ PLC S7-200 với phần mềm hiện hữu của nhà máy Từ đó người vận hành sẽ giám sát trực tiếp mực nước tại phòng điều khiển trung tâm Trong quá trình giám sát hệ thống phần mềm trung tâm liên tục kiểm tra các dữ liệu hiện trạng của hệ thống, nếu có thông số nào vượt quá giới hạn đặt trước thì phần mềm sẽ đưa ra giao diện người dùng các cảnh báo và lưu lại thời điểm đó để người vận hành kiểm tra cũng như có phương án xử lý tình huống

Mọi dữ liệu do phần mềm thu thập về được lưu trữ dữ liệu trong cơ sở dữ liệu của phần mềm để tạo thành lưu dữ liệu dài hạn Chức năng này rất quan trọng trong việc quản lý và lưu trữ dữ liệu của công ty

Ngoài ra phần mềm có thể sử dụng giao diện người dùng và máy tính tạo sự trực quan cho người sử dụng Chương trình xây dựng một cách trực quan thông qua giao diện trên màn hình cho người vận hành dễ dàng quan sát mực nước cũng như các cảnh báo khi mực nước bất thường

2.4 Thiết kế hệ SCADA giám sát mực nước nhà máy thủy điện Đồng Nai 3

2.4.1 Các thiết bị chính tủ giám sát tại chỗ

2.4.1.1 CPU 226 DC/DC/DC

Hình 2.14 PLC S7-200 CPU 226 DC/DC/DC

a Đặc điểm kỹ thuật

- Là PLC CPU lập trình loại nhỏ của hãng Siemens

- CPU 226 kết hợp bộ vi xử lý, bộ nguồn, mạch đầu vào và mạch đầu ra trong một thiết kế nhỏ gọn

- Kích thước: W196 x H80 x D62 (mm)

- Trọng lượng: 550 (g)

- On-board đầu vào: 24 input

- On-board đầu ra: 16 output

- Có 2 kiểu ngõ ra là Relay và Transitor cấp dòng

- Tích hợp sẵn cổng Profibus hay sử dụng một module mở rộng, cho phép

tham gia vào mạng Profibus như một Slave thông minh

- Có cổng truyền thông nối tiếp RS485 vơi đầu nối 9 chân Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI là 9600 bauds, theo kiểu tự do là 300 – 38.400 bauds

- Tập lệnh có đủ lệnh bit logic, so sánh, bộ đếm, dịch/quay thanh ghi, timer cho phép lập trình điều khiển Logic dễ dàng Ngôn ngữ lập trình: LAD, STL, FBD

b Sơ đồ đấu dây phần cứng

Sơ đồ đấu dây phần cứng được mô tả như sau (hình 14)

Hình 2.15 Sơ đầu đấu dây CPU 226 2.4.1.2 Modul Analog (AI) EM 231

Là modul nhận tín hiệu 4-20mmA từ sensor đo mực nước gửi về Từ đó sẽ gửi tín hiệu sang CPU 226 để tính toán và xử lý số liệu

Hình 2.16 Modul Analog EM 231

a Đặc điểm kỹ thuật

- Loại modul: 6ES7 231-0HC22-0XA0

- 4 Tín hiệu analog input

- Dải tín hiệu chuyển đổi PLC: -32000 ÷ +32000

- Điện áp đầu vào lớn nhất: 30VDC

- Dòng điện vào lớn nhất: 32mA

- Dải tín hiệu nhận về: 4-20mmA

- Thời gian chuyển đổi từ tín hiệu analog sang digital: < 250µs

- Độ chính xác (Làm việc từ nhiệt độ -20º - 60º C): ± 2% dải đo

b Sơ đồ khối tín hiệu đầu vào modul EM 231

Hình 2.17 sơ đồ khối logic input tín hiệu modul EM 231

c Sơ đồ đấu dây phần cứng

Hình 2.18 Sơ đồ đấu dây phần cứng modul EM 231

2.4.1.3 Modul quang điện MOXA

Hình 2.19 Modul chuyển đổi tín hiệu RS485 to Converter

a Giới thiệu

Bộ chuyển đổi truyền thông Moxa được trang bị một mạch giao diện đa dạng

có thể xử lý các giao diện nối tiếp RS-232 hoặc RS-422/485 với chế độ multi-mode hoặc single- mode Bộ chuyển đổi Moxa được sử dụng để mở rộng truyền dẫn nối tiếp lên đến 5 km (TCF-142-M với chế độ multi- mode) hoặc lên đến 40 km (TCF-142-S với chế độ single-mode) Tín hiệu RS485 từ PLC sẽ được chuyển tới bộ chuyển đổi Moxa và chuyển đổi sang tín hiệu quang để truyền đi xa

b Đặc điểm kỹ thuật

Optical Fiber Side

Kết nối quang: SC or ST

Yêu cầu Cable: Single-mode: 8.3/125, 8.7/125, 9/125, or 10/125 μm

Khoảng cách truyền: Single-mode: 40 km

Bước sóng: Single-mode: 1310 nm

Đầu ra Tx: Single-mode: > -5 dBm

Độ nhạy Rx: Single-mode: -25 dBm

Point-to-Point Transmission: Half-duplex or full-duplex

Ring Transmission: Half-duplex

RS-232 Side

Kết nối: Terminal block

Tín hiệu: Tx, Rx, GND

Baudrate: 50 bps to 921.6 Kbps

Kích thước: Without ears: 67 x 100 x 22 mm (2.64 x 3.94 x 0.87 in)

With ears: 90 x 100 x 22 mm (3.54 x 3.94 x 0.87 in)

EMI: FCC Part 15 Subpart B Class B, EN 55022 Class B

EMS: EN 61000-4-2 (ESD) Level 3,

Time: 780, 480 hrs

Database: Telcordia (Bellcore), GB

2.4.1.4 Phương trình tính toán mực nước hồ

2.4.1.5 Đặt vấn đề

Chương trình tính toán được viết cho phương trình analog trên PLC S7-200 với các thông số đầu vào như sau:

 Dải đo: 0-30m

 Tín hiệu cảm biến truyền về : 4-20mmA

 Trong đó PLC S7-200 đọc tín hiệu analog có độ phân giải từ 6400 đến

32000 nghĩa là 4mA đọc vào thì trong PLC hiểu là 6400 đơn vị và 20mA đọc về là

 Như vậy công thức để tính cho tín hiệu Analog sẽ là:

Ov =[(590 -560)(Iv-6400)/(32000-6400)]+560 Ov= 0.0017Iv + 552.5 Hay y = 0.0017x + 552.5

2.4.2 Chương trình PLC S7-200

Chương trình PLC S7-200 được lập trình với các địa chỉ tín hiệu như sau:

Chương trình PLC S7-200 thực tế được viết như sau: