Thạc Sĩ Xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công cho các nhà máy thuỷ điện trên cơ sở tích hợp

MỞ ĐẦU
1. Cơ sở khoa học, tính mới và tính thực tiễn
- Hiện nay việc nghiên cứu chế tạo và phát triển các thiết bị điều khiển, tự động hoá đã phát triển rất cao cả trong nước cũng như trên Thế giới. Các thiết bị điều khiển như PLC, các máy CNC, các thiết bị sử dụng DSP, các máy tính điều khiển PCI, PXI . đã trở thành những sản phẩm thương mại phổ biến tại khắp các thị trường trong và ngoài nước. Những cơ sở lý thuyết tính toán, thiết kế cũng như các công cụ phần mềm để mô phỏng, tính toán, điều khiển cũng hết sức phong phú và đa dạng như Matlab, Labview, WinCC, . Với các điều kiện khoa học và công nghệ cơ sở hiện nay, hoàn toàn cho phép chúng ta thực hiện tốt việc thiết lập, xây dựng những hệ thống điều khiển hiện đại, có quy mô lớn và đáp ứng những yêu cầu công nghệ phức tạp.
- 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 được thực hiện nhiều bởi các hãng sản xuất thiết bị điều khiển và tích hợp hệ thống trên Thế giới. Tuy nhiên do nền tảng công nghệ chế tạo thiết bị điều khiển trong nước còn hạn chế, nên các nhà sản xuất cũng như các cơ sở nghiên cứu trong nước đến nay vẫn chưa có khả năng đảm bảo cung cấp các hệ thống thiết bị điều khiển đồng bộ cho các nhà máy thuỷ điện có công suất từ 10 MW trở lên. Do đó đề tài nghiên cứu này có tính tiên phong phục vụ các kế họach nội địa hoá các hệ thống thiết bị đồng bộ phục vụ cho ngành điện nói riêng và ngành công nghiệp trong nước nói chung.
- Việc xây dựng hệ điều khiển các nhà máy thuỷ điện nói chung và các thiết bị cơ khí thuỷ công nói riêng có một ý nghĩa thực tiễn hết sức cấp bách. Theo chiến lược phát triển ngành Điện Việt nam đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại quyết định 176/2004/QĐ-TTG ngày 5/10/04, thì "trong 20 năm tới sẽ xây dựng hầu hết các nhà máy thuỷ điện tại những nơi có khả năng xây dựng. Dự kiến đến năm 2020 tổng công suất các nhà máy thuỷ điện đạt 13.000-15.000 MW". Như vậy chúng ta sẽ phải xây dựng khoảng 46 nhà máy thuỷ điện có công suất lớn hơn 50 MW và khoảng 100 nhà máy thuỷ điện có công suất đến 50 MW.
- Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài còn được 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 trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ. 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" do Viện nghiên cứu Cơ khí - Bộ Công nghiệp chủ trì. Trong đó hệ điều khiển các thiết bị cơ khí thuỷ công là một phần trong nội dung thực hiện của đề tài.
2. Mục đích và nhiệm vụ của luận văn
- Làm chủ được các cơ sở lý thuyết cũng như thực tiễn cho phép thiết kế, tích hợp và lập trình hệ thống điều khiển các thiết bị cơ khí thuỷ công cho các nhà máy thuỷ điện.
- Xây dựng, thiết lập được các thuật toán điều khiển và hệ thống điều khiển các thiết bị cơ khí thuỷ công trên cơ sở những phần cứng và phần mềm cơ sở có sẵn tại thị trường Việt nam.
- Vận dụng cho xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công nhà máy thuỷ điện A-Vương - Đà Nẵng – Việt Nam.
- Nâng cao năng lực thiết kế tích hợp hệ thống điều khiển cho các nhà máy thủy điện nói riêng và các hệ thống tự động hoá các dây chuyền sản xuất công nghiệp nói chung.
3. Phương pháp nghiên cứu và cấu trúc luận văn
Để đạt được những mục tiêu đề ra, việc nghiên cứu khái quát kinh nghiệm từ những công trình thuỷ điện trong và ngoài nước để xây dựng cơ sở lý thuyết và tích hợp, chế tạo với điều kiện cơ sở, thiết bị trong nước hiện nay là phương pháp có hiệu quả và tin cậy nhất. Vì vậy nội dung luận văn được chia thành ba chương chính, chương 1 nêu những nghiên cứu khái quát về hệ thống cơ khí thuỷ công trong và ngoài nước, chương 2 sẽ đưa ra những cơ sở lý thuyết tính toán, lựa chọn thiết bị cho thiết kế, tích hợp hệ thống, chương 3 là nội dung áp dụng cho xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công trong thực tế.
MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU 1
- Cơ sở khoa học, tính mới và tính thực tiễn 1
- Mục đích và nhiệm vụ của luận văn 2
- Phương pháp nghiên cứu và cấu trúc lụân văn 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3
1.1 Khái quát về hệ thống điều khiển thiết bị thuỷ công nhà máy thuỷ điện 3
1.1.1 Hệ thống điều khiển các cửa van cung đập tràn 4
1.1.2 Hệ thống điều khiển các cửa nhận nước 8
1.1.3 Các thiết bị đo lường chính trong hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ công 11
1.1.4 Hệ thống thuỷ lực, điện và điều khiển 17
1.2 Tóm tắt về sự phát triển công nghệ và phương pháp điều khiển hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ công 17
1.2.1 Hệ thống điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công trên Thế giới 17
1.2.2 Tình hình nghiên cứu, tích hợp hệ thống điều khiển thiết bị cơ khí thuỷ công trong nước 21
1.2.3 Giải pháp cho sản xuất hệ thống điều khiển trong nước 23
1.3 Đặt vấn đề nghiên cứu 23
1.4 Kết luận chương 1 24

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN GIẢI PHÁP TÍCH HỢP HỆ THỐNG 26
2.1 Cơ sở tính toán, thiết kế chung 26
2.1.1 Sơ đồ khối chức năng trạm điều khiển tại chỗ 26
2.1.2 Sơ đồ khối chức năng trạm điều khiển từ xa 29
2.1.3 Xây dựng mô hình toán học và hàm truyền hệ thống 32
2.1.4 Tính toán thiết kế nguồn động lực 36
2.1.5 Tính toán thiết kế trạm điều khiển tại chỗ 40
2.1.6 Tính toán thiết kế trạm điều khiển từ xa 47
2.2 Lựa chọn tích hợp cấu hình và thiết bị phần cứng 49
2.2.1 Các thiết bị đảm bảo nguồn động lực 49
2.2.2 Cấu hình phần cứng các trạm điều khiển tại chỗ 50
2.2.3 Cấu hình phần cứng trạm điều khiển từ xa 53
2.3 Lựa chọn phần mềm cơ sở cho lập trình điều khiển và giám sát 56
2.3.1 Lựa chọn phần mềm cho lập trình điều khiển 56
2.3.2 Lựa chọn phần mềm cho lập trình giao diện điều khiển, giám sát và thu thập xử lý dữ liệu 60
2.4 Kết luận chương 2. 63
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ CƠ KHÍ THUỶ CÔNG CHO NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN A-VƯƠNG 65
3.1 Các đối tượng và yêu cầu điều khiển 65
3.1.1 Hệ thống điện – thuỷ lực và các yêu cầu điều khiển cửa van 65
3.1.2 Hệ thống đo lường, bảo vệ và các yêu cầu điều khiển hệ thống 71
3.1.3 Thu thập, xử lý dữ liệu và truyền thông 72
3.2 Xây dựng thuật toán điều khiển hệ thống các cửa van cung đập tràn 73
3.2.1 Thuật toán cho các trạm điều khiển tại chỗ 73
3.2.2 Thuật toán và liên động cho trạm điều khiển từ xa 75
3.3 Lập trình điều khiển cho các cửa van cung đập tràn 77
3.3.1 Chương trình điều khiển trạm tại chỗ 77
3.3.2 Chương trình điều khiển trạm từ xa 82
3.4 Thiết kế giao diện giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu (Sử dụng phần mềm WinCC V6.0 – SP2 của Siemens) 90
3.4.1 Thiết kế các giao diện giám sát và điều khiển 90
3.4.2 Thiết kế các trang trợ giúp (help) 94
3.4.3 Thiết kế các giao diện thu thập dữ liệu, in ấn báo cáo 97
3.5 Kết luận chương 3 100
KẾT LUẬN CHUNG 101
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 102
TÀI LIỆU THAM KHẢO 103
PHỤ LỤC
1 Các hình ảnh về hệ thống thiết bị cơ khí thuỷ công TĐ AVương
2 Bản vẽ thiết kế cơ bản trạm điều khiển tại chỗ
3 Bản vẽ thiết kế cơ bản trạm điều khiển từ xa
4 Chương trình PLC điều khiển trạm tại chỗ
5 Chương trình PLC điều khiển trạm từ xa