Phân tích hệ thống điện hồ chứa Hà Động

Công trình thủy lợi Hồ chứa Đầm Hà được khởi công xây dựng vào tháng 4 năm 2006 với tổng vốn đầu tư trên 500 tỷ đồng. Đây là một công trình quy mô lớn, hiện đại, nhằm mục đích đáp ứng nhu cầu cấp nước tưới tiêu và sinh hoạt cho khu vực huyện Đầm Hà và các vùng lân cận. Cụ thể, hồ chứa sẽ cung cấp nước tưới ổn định cho diện tích 3485 ha đất canh tác và nước sinh hoạt cho 29000 người dân thuộc 8 xã, 1 thị trấn của huyện Đầm Hà và một số khu vực lân cận ở miền Đông tỉnh. Việc xây dựng công trình này mang ý nghĩa kinh tế - xã hội to lớn, góp phần quan trọng vào sự phát triển bền vững của địa phương. Nhu cầu xây dựng hệ thống thủy lợi hiện đại ngày càng cấp thiết do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu toàn cầu, gây ra nhiều hiện tượng thời tiết cực đoan như lũ lụt, hạn hán, sóng thần, ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống người dân. Sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là việc ứng dụng các bộ điều khiển logic khả trình (PLC) vào tự động hóa, giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong điều khiển hệ thống thủy lợi.

Đập chính của hồ chứa Đầm Hà là đập đất hai khối, được thiết kế với chân khay cắm qua tầng cuội sỏi để chống thấm. Hệ thống thoát nước ống khói được tích hợp để đảm bảo an toàn. Mái thượng lưu đập được bảo vệ bằng các tấm bê tông đúc sẵn, trong khi mái hạ lưu được bảo vệ bằng cách trồng cỏ. Đỉnh đập cao khoảng 64,5m, rộng 6m và dài 244m. Chiều cao đập ở vị trí hồ sâu nhất là 31,5m. Trên đỉnh đập có tường chắn sóng cao 0,8m. Các đập phụ đều là đập đất nhiều khối. Hệ thống cống lấy nước cao áp có thiết kế đặc biệt: phía thượng lưu là hình hộp, phía hạ lưu là ống tròn bằng thép bọc bê tông cốt thép. Lưu lượng nước thiết kế qua cống là 4,9 m³/s, được điều chỉnh bằng van côn ở hạ lưu. Thiết kế này cho thấy sự đầu tư kỹ lưỡng vào cấu trúc công trình nhằm đảm bảo sự vững chắc và hiệu quả trong việc điều tiết nước.

Công trình được cấp điện từ hai trạm biến áp, cung cấp điện hạ áp cho toàn bộ hệ thống. Điện năng được phân phối thông qua tủ điện tổng (tủ hạ áp) đến các tủ điều khiển động cơ bơm dầu cho cửa van cung, động cơ nâng hạ và di chuyển phai, hệ thống chiếu sáng nhà điều hành, đường quản lý vận hành, cống lấy nước và nhà quản lý trung tâm. Trạm biến áp số 2 có cùng công suất và thông số kỹ thuật với trạm biến áp số 1. Toàn bộ phụ tải từ trạm biến áp số 2 đi qua tủ phân phối đặt tại nhà quản lý vận hành tràn trước khi được cấp đến các thiết bị. Hệ thống chiếu sáng được bố trí cân bằng trên 3 pha. Cấp điện cho đóng mở cửa van đập tràn được lấy từ trạm biến áp số 2. Các tủ điều khiển tại chỗ sử dụng cáp đồng có bảo vệ PVC 4x10. Tổng chiều dài cáp đồng 4x16mm² là 1321m. Cột điện sử dụng cột đèn thép cao 10m với đèn thủy ngân cao áp 240/250W, khoảng cách giữa các đèn từ 30-50m tùy vị trí. Hệ thống có khóa chuyển mạch A-M (chế độ tự động - A, chế độ thủ công - M) và khóa N-H để điều chỉnh nâng hạ van.

Hệ thống điều khiển sử dụng PLC S7-300 cho phép vận hành ở hai chế độ: tự động (auto-A) và thủ công (manual-M). Việc chuyển đổi giữa hai chế độ này được thực hiện thông qua khóa chuyển mạch A-M. Trong chế độ tự động, PLC sẽ tự động điều khiển các thiết bị dựa trên các chương trình đã được lập trình sẵn. Trong chế độ thủ công, người vận hành sẽ trực tiếp điều khiển các thiết bị thông qua các nút bấm và khóa chuyển mạch. Khóa chuyển mạch N-H được sử dụng để đảm bảo hệ thống hoạt động theo đúng yêu cầu về nâng hạ. Bộ điều khiển khả trình PLC không chỉ thực hiện các chức năng điều khiển cơ bản mà còn có khả năng thu thập số liệu, truyền thông số liệu về trung tâm điều khiển, nhận lệnh từ trung tâm và tạo điều kiện cho việc tự động hóa hệ thống thông qua các mạng truyền thông như Profibus và Ethernet. Sự kết hợp giữa chế độ tự động và thủ công mang lại tính linh hoạt cao trong vận hành hệ thống.

Bộ điều khiển khả trình PLC S7-300 đóng vai trò trung tâm trong việc tự động hóa hệ thống điều tiết nước. Ngoài chức năng điều khiển, PLC còn có khả năng thu thập và truyền dữ liệu về trung tâm giám sát, cho phép theo dõi hoạt động của hệ thống một cách toàn diện. PLC nhận lệnh điều khiển từ trung tâm, đảm bảo sự phối hợp hoạt động giữa các bộ phận khác nhau. Khả năng kết nối với các mạng truyền thông hiện đại như Profibus và Ethernet tạo điều kiện cho việc tích hợp hệ thống vào các hệ thống quản lý rộng lớn hơn. Việc sử dụng PLC giúp nâng cao hiệu quả vận hành, giảm thiểu sự can thiệp của con người, đảm bảo sự chính xác và nhanh chóng trong việc điều khiển các thiết bị. Điều này góp phần quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và hiệu quả của toàn bộ hệ thống thủy lợi.

Phần này tập trung vào phân tích sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển van cung, một phần quan trọng trong hệ thống xả lũ của hồ chứa. Bản mô tả chi tiết hoạt động của van cung, bao gồm hệ thống truyền động và các thành phần như động cơ, bơm dầu, van điện từ, rơ le, và các công tắc. Mạch điều khiển cho phép vận hành cả chế độ tự động và thủ công, đảm bảo tính linh hoạt. Bản phân tích bao gồm mô tả chi tiết hoạt động của các thành phần, ví dụ như cách thức đóng mở van, quá trình cấp và hồi dầu, chức năng của các rơ le và công tắc, cũng như hệ thống đèn báo hiệu các trạng thái hoạt động. Các thiết bị an toàn như rơ le nhiệt (RN) và EOCR được tích hợp để bảo vệ hệ thống khỏi các sự cố quá áp, quá dòng, và quá tải. Mô tả minh họa cụ thể từng bước hoạt động của mạch, từ việc cấp điện cho động cơ đến việc van đạt đến giới hạn hành trình và hệ thống tự động ngắt điện.

Phần này trình bày sơ đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển van côn hạ lưu, bộ phận quan trọng trong việc cấp nước vào kênh thủy lợi. Van côn hoạt động dựa trên hệ thống thủy lực, điều khiển bởi động cơ bơm dầu. Mạch điều khiển cũng cho phép vận hành ở cả chế độ tự động và thủ công, tương tự như van cung. Mô tả chi tiết quá trình bơm dầu, đóng mở xilanh thủy lực và các van điều tiết. Các thiết bị an toàn, bao gồm rơ le nhiệt và EOCR, được tích hợp để đảm bảo an toàn vận hành và bảo vệ hệ thống khỏi các sự cố quá tải hoặc kẹt van. Giống như phân tích mạch điều khiển van cung, phần này cũng đi sâu vào chi tiết hoạt động của từng thành phần trong mạch, bao gồm các tiếp điểm, rơ le, công tắc và hệ thống đèn báo hiệu trạng thái hoạt động của van.

Phần này tập trung phân tích sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển van phẳng thượng lưu, bộ phận phối hợp với van côn trong hệ thống lấy nước. Van phẳng được điều khiển bằng động cơ 4,5KW thông qua khớp nối và hộp giảm tốc để quay trục vitme. Mô tả hoạt động của động cơ, trục vitme, và cánh phai, giải thích cách thức điều khiển van phẳng để lấy nước từ hồ chứa. Mạch điều khiển tích hợp công tắc hành trình để tự động dừng khi van đạt giới hạn hành trình. Cũng như các mạch điều khiển khác, phần này bao gồm mô tả chi tiết các thành phần, hoạt động của từng bộ phận, và vai trò của các thiết bị an toàn. Bản phân tích nhấn mạnh đến sự phối hợp hoạt động giữa van phẳng và van côn trong việc điều tiết dòng chảy và đảm bảo an toàn cho toàn hệ thống.

Bài báo tóm tắt ngắn gọn lịch sử phát triển của PLC, bắt đầu từ thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên ra đời năm 1968 bởi General Motors. Ban đầu, các hệ thống PLC còn khá đơn giản, cồng kềnh và khó vận hành. Tuy nhiên, qua nhiều năm, với sự phát triển của công nghệ phần cứng và phần mềm, PLC đã được cải tiến đáng kể về tính năng, kích thước và khả năng vận hành. Hệ thống ngõ vào/ra được mở rộng lên đến 8.000 cổng, dung lượng bộ nhớ chương trình tăng lên hơn 128.000 từ. Kỹ thuật kết nối các hệ thống PLC riêng lẻ thành một hệ thống chung cũng được phát triển, nâng cao khả năng của từng hệ thống. Tốc độ xử lý và chu kỳ quét (scan) nhanh hơn, cho phép PLC xử lý tốt các chức năng phức tạp với số lượng cổng vào/ra lớn. PLC được định nghĩa là thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Controller), cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua ngôn ngữ lập trình.

Hệ thống lập trình cơ bản của PLC bao gồm hai phần chính: khối xử lý trung tâm (CPU) và hệ thống giao tiếp vào/ra (I/O). Bài báo đề cập đến các loại PLC khác nhau, bao gồm Micro PLC (PLC siêu nhỏ) thường được ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất nhỏ, PLC cỡ nhỏ (Small PLC) dùng cho các hệ thống nhỏ hơn, và PLC cỡ lớn (Large PLC) cho các ứng dụng phức tạp hơn. Đặc điểm của các loại PLC được mô tả qua các chức năng như timers/counters/shift register, khả năng xử lý chương trình con, thực hiện các thuật toán tính toán, khả năng giao tiếp với máy tính và các module mở rộng. PLC cỡ lớn có khả năng xử lý chương trình phức tạp hơn với dung lượng lớn, giao tiếp I/O với nhiều chức năng đặc biệt. Ví dụ, module nguồn PS307 cấp nguồn 24VDC, module ghép nối IM360, IM361, IM365. Các module được gắn trên thanh ray, kết nối với nhau qua connector. Vùng nhớ hệ thống bao gồm timer, counter, vùng nhớ dữ liệu M, bộ đệm xuất nhập. Vùng nhớ chương trình có thể là RAM và EEPROM hoặc RAM và thẻ nhớ.

Bài báo đề cập đến hai phương pháp lập trình PLC chính: lập trình tuyến tính và lập trình có cấu trúc. Lập trình tuyến tính (linear programming) đơn giản hơn, toàn bộ chương trình nằm trong một khối OB1, thích hợp cho các bài toán điều khiển đơn giản. Quy trình thực hiện chương trình tuyến tính, bao gồm việc sử dụng Local Block để lưu trữ biến tạm thời trong mỗi vòng quét. Lập trình có cấu trúc chia chương trình thành các khối FC hoặc FB, phù hợp cho các bài toán phức tạp, dễ sửa chữa và gỡ rối. Phương pháp này cho phép chia nhỏ nhiệm vụ thành các khối con, được gọi từ các khối chương trình khác. Tuy nhiên, cần lưu ý tránh việc gọi đệ quy và hạn chế số lần gọi lồng nhau để tránh lỗi. Việc truyền tham trị giữa khối mẹ và khối con được thực hiện thông qua Local Block. Giải thích về cách truyền các tham trị từ khối mẹ cho biến In, In-Out của Local Block, và việc trả kết quả từ khối con về khối mẹ qua biến Out, In-Out.