Nội dung

PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 287 GIẢI PHÁP ĐO MỰC NƯỚC HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN DÙNG CẢM BIẾN ĐO KHOẢNG CÁCH BẰNG CHÙM TIA LASER Trần Kỳ Hải, Tạ Đức Thọ Công ty Thủy điện Buôn Kuốp – Tổng công ty Phát điện 3 Tóm tắt: Quan trắc mực nước hồ có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với nhà máy thủy điện trong vận hành và điều tiết hồ chứa. Hạn chế sai số đo mực nước giúp các chủ hồ thủy điện quản lý hiệu quả hơn nguồn nước cấp cho hạ du trong mùa kiệt, tính toán chính xác diễn biến lưu lượng về hồ và dung tích phòng lũ trong mùa mưa lũ, góp phần tiều tiết - xả lũ các hồ chứa một cách hợp lý, hạn chế tối đa những thiệt hại do mưa, lũ gây ra. Tình hình chung của thiết bị quan trắc mực nước kiểu áp lực nhúng chìm lắp tại các hồ chứa do Công ty quản lý là làm việc đúng trong thời gian đầu, nhưng theo thời gian thiết bị làm việc không còn chính xác, cho dù thiết bị được tăng cường công tác kiểm tra, hiệu chuẩn. Điều này gây khó khăn cho công tác quan trắc tại hồ chứa, đặc biệt là hồ chứa có dung tích lớn (dung tích hữu ích 522,6 triệu m3) và độ thay đổi mực nước lớn (22,5 m) và có chế độ điều tiết năm như hồ Buôn Tua Srah. Trong mùa mưa lũ chỉ cần mực nước hồ sai từ 1 đến 2 cm là gây ra sai số tính toán lưu lượng nước về hồ lên đến hàng trăm m3/s; Như vậy, nhu cầu đặt ra là cần thiết bị đo có độ chính xác cao và ổn định theo thời gian. Việc tiếp tục sử dụng cảm biến áp lực cho thấy không còn đem lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật. Trong khi đó kỹ thuật đo khoảng cách bằng chùm tia laser ngày càng hoàn thiện về độ chính xác và giá thành cảm biến ngày càng giảm. Do đó, chúng tôi thay đổi phương pháp đo mực nước, chuyển từ kiểu đo áp lực sang kiểu đo khoảng cách sử dụng chùm tia laser. 1. GIỚI THIỆU Theo thiết kế cũ, tại ba nhà máy thủy điện Buôn Tua Srah, Buôn Kuốp, Srêpốk 3 do Công ty quản lý đều được trang bị cảm biến đo mực nước kiểu áp lực nhúng chìm dạng màng. Nguyên lý đo dựa trên sự biến dạng của màng cảm biến áp lực (vật liệu Ceramic hoặc 316L) được chuyển đổi thành tín hiệu điện. Trong suốt năm năm vận hành, thiết bị có những ưu, khuyết điểm sau:  Ưu điểm: Thiết bị nhỏ gọn, lắp đặt dễ dàng, thường được lắp trong các lỗ khoan hoặc ống đặt sẵn. Độ chính xác 0,001 ~ 0,05% trên toàn dải đo, tín hiệu đầu ra 4 ~ 20 mA kết nối đến PLC thuận tiện trong công tác đo lường giám sát từ xa.  Khuyết điểm: Nguyên lý đo mực nước gián tiếp qua đo cột áp thủy tĩnh có độ chính xác phụ thuộc vào màng cảm biến áp suất và suy giảm sau thời gian dài làm việc. Nguyên nhân gây sai biệt ở màng áp lực do bùn, phù sa (lắng và bám lên bề 288 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 mặt của lớp màng); mạch bù nhiệt độ môi trường và bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số của PLC. Do đó, thường xuyên bảo trì và hiệu chuẩn khi tín hiệu trả về sai lệch so với thủy chí. Hình 1: Mô hình nguyên lý đo áp lực của cảm biến dạng màng Quan sát việc đo độ võng dầm cầu trục bằng thước đo laser, thiết bị này đo khoảng cách bằng chùm tia laser mà kết quả của phép đo chính xác tới từng mm. Đây là lý do chúng tôi thay đổi phương pháp do mực nước truyền thống từ kiểu đo áp lực sang kiểu đo khoảng cách sử dụng chùm tia laser. 2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC Máy đo khoảng cách laser sử dụng một chùm tia laser để xác định khoảng cách đến một đối tượng. Hình thức phổ biến nhất của máy đo khoảng cách laser hoạt động dựa trên nguyên tắc thời gian bay (TOF1) bằng cách gửi một xung laser dưới dạng chùm tia hẹp hướng thẳng đến đối tượng và đo thời gian từ lúc phát xung đến lúc nhận được xung phản xạ từ mục tiêu. 1 .c.TOF , trong đó: c = 300.000 m/s là tốc 2 độ ánh sáng, không thay đổi theo nhiệt độ hoặc độ ẩm. Khoảng cách được tính như sau: L = Khi ánh sáng tác động vào đối tượng, tín hiệu phản hồi đo được chỉ là một phần nhỏ của tín hiệu ban đầu. Năng lượng còn lại phản xạ theo các hướng khác nhau phụ thuộc vào đặc tính bề mặt và góc tới của chùm sóng và có thể được hấp thụ hoặc đi xuyên qua đối tượng. Nếu góc tiếp cận của nguồn phát tín hiệu bằng hoặc lớn hơn một giá trị ngưỡng nào đó thì năng lượng phản xạ sẽ bị lệch hướng ra ngoài vùng của bộ thu. 1 TOF (Time of Fly): Thời gian bay PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 289 (1) Cảm biến laser (2) Mặt bích lắp thiết bị (3) Ống dẫn hướng (4) Phao phản xạ (5) Côn tiết lưu Hình 2: Mô hình đo Qua quá trình thử nghiệm, chúng tôi nhận thấy nếu chiếu chùm tia laser tới đối tượng phản xạ là chất lỏng có chiết quang cao sẽ gây ra sai số lớn. Vì ánh sáng bị khúc xạ qua bề mặt làm tăng TOF. Để khắc phục điều này, chúng tôi tạo bề mặt phản xạ gắn trên phao nổi. Thêm vào đó để có góc phản xạ tốt thì bề mặt phản xạ phải vuông góc với đường cao của hình nón tạo bởi chùm tia, để chống kẹt phao khi mực nước thay đổi thì phương pháp lắp ống đo thẳng đứng là tốt nhất. Độ chính xác phụ thuộc vào mạch định thời. Với kỹ thuật hiện nay bộ định thời được chế tạo ở mức pico giây cho phép xác định một đối tượng trong cự li 50 m với sai số ±2,5 mm; Trong ba hồ thủy điện do công ty quản lý, thì hồ Buôn Tua Srah lớn nhất và mực nước thay đổi lên đến 25 m. Do vậy, chọn tầm đo 30 m, từ đó tính ngược ra tấm bia phản xạ có kích thước 90 x 90 mm, đường kính phao 114 mm và dùng ống thép phi 150 là thích hợp; Để bù sai số đo, người ta thường lấy giá trị trung bình của nhiều phép đo lặp lại sao cho chất lượng tín hiệu ở mức chấp nhận được. Đối với mặt hồ thường có sóng lớn khi gió mạnh, để triệt tiêu các dao động này chúng tôi chế tạo phao rỗng đổ cát để có mớn nước phù hợp, cuối ống dẫn hướng thắt lại tạo thành tiết lưu. Vì vậy, phao nổi ổn định trong ống bất chấp sóng đánh bên ngoài (xem Hình 2). Công thức tính mực nước: = − + ∆ , trong đó là cao trình mặt bích, là khoảng cách do cảm biến đo được và ∆ là tổng khoảng cách gồm mớn nước và từ mặt bích đến đầu thu phát. 290 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 Bằng thực nghiệm, chúng tôi thấy rằng phép đo laser sẽ mất đi ưu thế nếu trả tín hiệu analog 4 ~ 20 mA về PLC. Vì sai số lúc này gồm có sai số chuyển từ tín hiệu số sang tương tự trong cảm biến (sai số DAC - Digital to Analog Converter) và sai số chuyển ngược lại từ tương tự sang số tại module AI khi kết nối với PLC của hệ thống SCADA. Do đó, cách tốt nhất là đọc trực tiếp tín hiệu số từ cảm biến. Tuy nhiên, mỗi nhà sản xuất đưa ra các khung dữ liệu riêng biệt, không có kiểm tra sai số trên đường truyền và không tương thích với chuẩn Modbus RTU là phổ biến của các hệ thống SCADA. Hình 3: Yêu cầu lắp đặt bề mặt phản xạ của cảm biến VDM100-50 của hãng Pepperl+Fuchs . Hình 4: Mạch dịch mã Để giải quyết vấn đề trên, một mạch dịch mã (xem Hình 4) được chèn giữa cảm biến và PLC. Nhiệm vụ chuyển toàn bộ dữ liệu sang chuẩn Modbus để hệ thống hiện hữu có thể đọc được. Đây đơn thuần là mạch điện tử, viết chương trình cho vi xử lý đọc PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 291 tín hiệu đầu vào từ cảm biến, lọc lấy giá trị đo lường, chuyển giá trị đọc của cảm biến sang giao thức modbus - RTU trước khi gửi lên PLC. 3. ỨNG DỤNG VÀ KẾT QUẢ Qua quá trình thí nghiệm vận hành, chúng tôi thấy rằng kết quả đo mực nước sử dụng cảm biến laser tốt hơn cảm biến áp lực tại cùng vị trí đặt. 271.8 271.7 271.6 271.5 271.4 271.3 271.2 271.1 271 270.9 Laser Pressure 15/1/8h30 18/1/7h00 20/1/1h00 20/1/13h00 21/1/1h00 21/1/13h00 22/1/13h00 23/1/1h00 23/1/13h00 24/1/13h00 25/1/7h00 25/1/19h00 26/1/07h00 26/1/13h55 27/1/7h00 27/1/19h00 27/1/13h00 28/1/7h00 29/1/1h00 29/1/13h00 31/1/1h00 Thủy chí Hình 5: Đồ thị quan hệ mực nước theo thời gian sử dụng cảm biến laser, áp lực, thủy chí Qua đồ thị cho thấy, thiết bị đo mực nước bằng laser cho độ tuyến tính, chính xác hơn hẳn thiết bị đo mực nước kiểu nhúng chìm. Trong khi đó cảm biến áp lực trong một số thời điểm có giá trị đo vọt lố. Bề mặt phản xạ nổi hẳn trên mặt nước 35 mm (mớn nước) nên không bị ướt mặt gây ra sai số đo. Kết cấu côn phía đuôi ống dẫn hướng giúp triệt tiêu các dao động khiến phao không bị dập dềnh. Hình 6: Hệ thống đo mực nước tại hồ chứa NMTĐ Srêpôk 3 292 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 Sau 1,5 năm đưa vào vận hành tại hồ chứa NMTĐ Srêpôk 3 (Hình 6). Hệ thống đo nước kiểu laser cho thấy hoạt động tin cậy, chính xác cao và không phải hiệu chỉnh nhiều lần. Từ kết quả đạt được, chúng tôi đã triển khai lắp đặt tại NMTĐ Buôn Kuốp và Buôn Tua Srah vào năm 2016 (xem Hình 7). Hệ thống đo mực nước bằng cảm biến đo khoảng cách sử dụng chùm tia laser đã được Công ty Thủy điện Buôn Kuốp công nhận là sáng kiến cấp Công ty năm 2016. Hồ Buôn Tua Srah Hồ Buôn Kuốp Hình 7: Hệ thống đo mực nước tại hồ chứa NMTĐ Buôn Kuốp và Buôn Tua Srah 4. KẾT LUẬN Hệ thống đo mực nước kiểu laser làm việc ổn định, khắc phục hoàn toàn tình trạng trôi điểm 0 và hiệu chỉnh nhiều lần của cảm biến áp lực. Các thông số như cao trình mặt bích, mớn nước chỉ cài đặt trong chương trình thu thập dữ liệu (SCADA) một lần trong suốt qua trình làm việc. Toàn bộ cảm biến, mạch dịch mã nằm trên bờ thuận tiện trong công tác kiểm tra, bảo dưỡng. Nhờ việc cải thiện độ chính xác trong quan trắc mực nước, Công ty thiết lập website quan trắc thông số vận hành các hồ chứa (tại địa chỉ http://buonkuop.vn/pclb) nhằm cung cấp thông tin đến chính quyền, tổ chức và nhân dân trên địa bàn phục vụ sản xuất nông nghiệp, vận tải đường sông và phòng chống thiên tai. PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 293 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Atmega128 Atmega128L Preliminary datasheet. 8 bit AVR with 128K byte in system programmable flash; Rev. 2467E-AVR-05/02; Atmel Corporation. [2] Manual Distance measurement devices VDM100/G2; TDOCT3132_ENG; 08/2013. Pepperl+Fuchs GmbH. [3] Low-power, Slew-rate-limited RS-485/RS-422 Transceivers; Maxim intergrated products 2009. [4] S85-MH-5-Y Instruction manual; 821002573 rev.C; Datalogic automation srl. [5] S85 RS-485 serial interface configuration; Datalogic automation srl. [6] Wiring RS-485 networks Revision A; RS-485 HIG Rev A ENG-US. www.controlsoft.com. [7] Modbus over serial line specification & implementation guide V1.0; 12/02/02; www.Modbus.org. [8] Modbus protocol; www.http://www.modicon.com/techpubs/toc7.html. [9] Modicon modbus protocol reference guide; PI-MBUS-300 Rev.J; Modicon, inc. [10] Modbus RTU serial communications user manual; 51-52-25-66 Rev.T 03/2013; Honeywell process solutions. [11] AC 800M communication protocols; System version 5.1; ABB control systems. [12] LM2576/LM2576HV series simple switcher 3A step-down voltage regurator; SNVS107B 08/2004; Texas Instruments.