Nghiên Cứu Thiết Kế Và Chế Tạo Thiết Bị Đo Độ Mở Van Kết Nối Giám Sát Tự Động

Chuyên khảo phân tích Luận văn nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị đo độ mở van cung kết nối và giám sát điều khiển, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên

• Tác giả: Vũ Văn Điệp
• Người hướng dẫn: Phan Thạch Hổ
• Trường học: Viện Nghiên Cứu Cơ Khí
• Chuyên ngành: Cơ khí - Tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị đo độ mở van kết nối giám sát tự động
• Loại tài liệu: Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp bộ
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về van cung và thiết bị đo độ mở van cung

Van cung là loại van có bản chắn nước cong mặt trụ, được sử dụng rộng rãi trong các công trình thủy điện. Thiết bị đo độ mở van cung đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát và điều khiển tự động quá trình vận hành van. Cấu tạo của van cung bao gồm hệ thống dầm, càng đỡ và gối quay, giúp giảm lực mở và tăng hiệu quả điều tiết lưu lượng nước. Công nghệ giám sát tự động được tích hợp vào thiết bị đo, cho phép hiển thị độ mở van thông qua các tín hiệu điện từ encoder. Điều này giúp tăng độ chính xác và an toàn trong vận hành.

1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Van cung có cấu tạo gồm bản chắn nước cong, hệ thống dầm và càng đỡ. Khi van hoạt động, áp lực nước truyền qua càng đến trục quay, giúp giảm lực mở. Thiết bị đo độ mở van sử dụng cơ cấu cáp, ròng rọc và encoder để chuyển đổi chuyển động quay của van thành tín hiệu điện. Tín hiệu này được truyền về hệ thống giám sát, cho phép hiển thị độ mở van trên màn hình điều khiển.

1.2. Ứng dụng trong công trình thủy điện

Van cung được sử dụng phổ biến trong các công trình thủy điện như đập tràn và cống. Thiết bị đo độ mở van giúp giám sát chính xác quá trình vận hành, đảm bảo an toàn và hiệu quả. Việc tích hợp hệ thống giám sát tự động vào thiết bị đo giúp giảm thiểu sai sót trong quá trình vận hành, đặc biệt trong các tình huống khẩn cấp như lũ lụt.

II. Thiết kế và chế tạo thiết bị đo độ mở van cung

Thiết kế thiết bị đo độ mở van cung tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc cơ khí và tích hợp công nghệ giám sát tự động. Chế tạo thiết bị đòi hỏi độ chính xác cao trong gia công và lắp ráp các bộ phận như encoder, cáp, và ròng rọc. Cảm biến độ mở được sử dụng để đo góc quay của van, chuyển đổi thành tín hiệu điện và truyền về hệ thống điều khiển. Kết quả là một thiết bị đo độ mở van cung có độ chính xác cao, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của các công trình thủy điện.

2.1. Tính toán độ mở van cung

Quá trình tính toán độ mở van cung dựa trên các thông số kỹ thuật như bán kính bản chắn, chiều cao van và góc quay. Công nghệ giám sát tự động được áp dụng để xác định chính xác độ mở van thông qua tín hiệu từ encoder. Các thuật toán được phát triển để xử lý tín hiệu, đảm bảo độ chính xác trong việc hiển thị và điều khiển.

2.2. Lựa chọn phương án lập trình điều khiển

Phương án lập trình điều khiển tập trung vào việc tích hợp hệ thống giám sát tự động với thiết bị đo. Các phần mềm chuyên dụng được phát triển để hiển thị độ mở van và điều khiển quá trình vận hành. Việc sử dụng PLC (Programmable Logic Controller) giúp tăng tính linh hoạt và độ tin cậy của hệ thống.

III. Nghiên cứu phần mềm hiển thị độ mở van cung

Phần mềm hiển thị độ mở van cung được phát triển để tích hợp với hệ thống giám sát tự động. Phần mềm này cho phép hiển thị độ mở van theo thời gian thực, đồng thời cung cấp các công cụ phân tích và báo cáo. Công nghệ giám sát được áp dụng để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của dữ liệu. Phần mềm cũng hỗ trợ việc điều khiển tự động quá trình đóng mở van, giúp tối ưu hóa hiệu suất vận hành.

3.1. Chương trình tính toán độ mở van cung

Chương trình tính toán độ mở van cung được phát triển dựa trên các thuật toán xử lý tín hiệu từ encoder. Công nghệ giám sát tự động được tích hợp để đảm bảo độ chính xác trong việc hiển thị và điều khiển. Chương trình cũng hỗ trợ việc lưu trữ và phân tích dữ liệu, giúp cải thiện hiệu quả vận hành.

3.2. Kết nối và giám sát điều khiển tự động

Hệ thống kết nối và giám sát điều khiển tự động được thiết kế để tích hợp với các thiết bị đo độ mở van cung. Công nghệ giám sát được áp dụng để đảm bảo độ tin cậy và độ chính xác của hệ thống. Việc sử dụng các giao thức truyền thông tiêu chuẩn giúp tăng tính tương thích và dễ dàng tích hợp với các hệ thống khác.

IV. Khảo nghiệm và đánh giá kết quả

Quá trình khảo nghiệm thiết bị đo độ mở van cung được thực hiện tại các nhà máy thủy điện để đánh giá hiệu quả và độ chính xác. Hệ thống giám sát tự động được sử dụng để thu thập và phân tích dữ liệu trong quá trình khảo nghiệm. Kết quả cho thấy thiết bị đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật, với sai số độ mở van dưới 0.3%. Điều này khẳng định tính khả thi và hiệu quả của thiết bị trong thực tế.

4.1. Quy trình khảo nghiệm

Quy trình khảo nghiệm bao gồm việc kiểm tra độ chính xác của thiết bị đo độ mở van cung trong các điều kiện vận hành khác nhau. Công nghệ giám sát tự động được sử dụng để thu thập dữ liệu và đánh giá hiệu suất của thiết bị. Các thử nghiệm được thực hiện tại nhà máy thủy điện Sê San 4, cho kết quả khả quan.

4.2. Đánh giá kết quả khảo nghiệm

Kết quả khảo nghiệm cho thấy thiết bị đo độ mở van cung đạt độ chính xác cao, với sai số dưới 0.3%. Hệ thống giám sát tự động hoạt động ổn định, đảm bảo độ tin cậy trong quá trình vận hành. Điều này khẳng định tính ứng dụng thực tế của thiết bị trong các công trình thủy điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1. Trong chuyên đề này nhóm đề tài đã giải quyết được các vấn đề sau: - Tìm hiểu tình hình nghiên cứu thiết kế ứng dụng các thiết bị đo và điều khiển cho các loại van cung trên thế giới và trong nước. - Xây dựng lý thuyết tổng quan về van cung và thiết bị hiển thị đo độ mở van cung. - Đưa ra nội dung, phạm vị nghiên cứu và mục tiêu của đề tài.

11 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THIẾT KÉ CHÉ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐỘ MỞ VAN CUNG VÀ PHƯƠNG ÁN LẬP CHƯƠNG TRÌNH DIEU KHIEN 2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động thiết bi do dé mé van cung: A-A A _ 400 _—I 48 —__ 24 - al 400 [ 4â. | 9 _10 LI 2 1 J ~~ 107 _ 2100, Hạn vị trên Boils a B ‘ + ‹“. oO Hạn vị dưới 2 8 1 ny Hình 2.1: Cấu tạo thiết bị đo độ mở van cung: 1.Cụm puly dẫn hướng l; 2.

Tủ bao che; 3.Cụm đối trọng; 5.Cụm tang quấn cáp; 6.Gối đỡ SY30 TF/VA201; 7. Cụm puly dân hướng 2; 10.Cụm puly dân hướng 3; 12 Hình 2.2: Hình ảnh thiết bị đo độ mở van cung: SO BO DAU NOI CAP Cum pu ly dẫn hướng 2 Tang cuốn cáp Ø0 “` Ø80 7 *. Cụm pu ly dẫn hướng 3 ⁄ N\A oo, ` øtoo c _ Gan trên gối quay x ~ Cụm đổi trọn / / um doi trong ¬‹ i. Ko | ` UN Hình 2.3 : Sơ đồ đầu nối cáp Khi van cung chuyền động lên xuống làm đĩa tròn ®900 gắn trên gối quay quay theo.

Qua hệ thống cáp và puly dẫn hướng làm Tang cuân cáp quay theo, đồng thời cũng làm đối trọng chuyên động lên xuống. _ Tai dau truc tang có gan 01 Encoder phát xung, tín hiệu ra được nối với thiệt bị xử lý tại tủ điêu khiên trung tâm nhà máy. Sau khi xử lý băng các phân mêm chuyên dùng, bộ xử lý đưa ra màn hình hiên thị độ mở của van cung. 13 Trên cụm đôi trọng có găn cơ câu tác động vào công tặc hạn vi trên và hạn vi dưới, chức năng của han vị là giới hạn độ mở của van cung.

Tính toán độ mở cửa van cung 2. Phân tích mối quan hệ giữa các thông số Dựa trên hình 2.3 ta có: Chiều dài tức thời của day cáp được quấn vào tang là : q=f,() (1) Trong đó: - q: Chiều dài tức thời của dây cáp được quấn vào tang - N: Số vòng quay của tang. Do đường kính của dây không đáng kế so với đường kính của tang và số lớp vòng dây quấn trên tang là nhỏ nên có thể coi đường kính ngoài của tang là không thay đổi trong suốt quá trình vận hành. Do đó, một cách gân đúng có thể coi chiều dài dây được quấn vào tang sẽ là một hàm tuyết tính với số vòng quay của tang N.

Ta có phương trình: q=k,*N (2) Trong đó: - k,: Hằng số tý lệ, phụ thuộc vào thông số kết cầu cơ khí. Mặt khác số vòng quay của tang N tỷ lệ với số vòng quay của encoder đồng nghĩa với việc số vòng quay của tang N tỷ lệ với số xung đếm được từ encoder, cho nên chiều dài dây cáp được quấn vào tang q sẽ là một hàm tỷ lệ với đối số xung đếm được từ encoder: q=k,*Z (3) Trong đó: - k,: Hằng số tỷ lệ, phụ thuộc vào thông số kết cấu cơ khí. - Z : Số xung đếm được từ encoder Như vậy, chiều dài dây cáp được quấn vào tang q hoàn toàn xác định được thông qua giá trị số xung Z cua encoder. Biết được số xung của encoder sẽ suy ra được chiều đài cáp được quấn vào tang tương ứng.

Cũng theo hình 2.3 ta có: Độ mở cửa van cung tính theo độ cao h hay tính theo góc mở œ sẽ là một hàm chỉ phụ thuộc vào chiều dài cáp tính từ đầu đĩa quay găn trên gối quay van cung đến tang quấn q”, hay phụ thuộc vào chiều dài cáp được quấn vào tang q. Khi đó ta có: h=f,@ (4) hay a=f2(q) (4’) 14 (vi dễ dàng có thể tính được mối liên hệ gitra a va h: h = Ho-R*sin(ao- a) (5) Trong đó: - Ho, R, ao: Thông sỐ xác định kết cấu của van Trong đó, hàm f, và Ÿ: là các hàm phi tuyến và có thể tìm được thông qua việc giải bài toán hình học lập ra dựa trên kết cấu của hệ thống. Tuy nhiên, việc giải để tìm ra các hàm số này chính xác đôi khi cũng rất khó khăn và mất nhiều công sức đối với hệ có kết cấu cơ khí hình học phức tạp. Việc làm này còn đòi hỏi phải xác định được các thông số của hệ thống một cách chính xác, trong một số trường hợp công việc này là không khả thi và đem lại kết quả không đáng tin cậy.

Ngoài ra, còn một khó khăn nữa mà khi chúng ta áp dụng phương pháp này có thể gặp phải là khi chúng ta đã tìm được kết quả chính xác của hàm nhưng đó là các biểu thức toán học rất phức tap, cong kénh gay kho khan cho qua trinh tính toán đặc biệt khi mà các bộ điều khiển của chúng ta đa số là bộ điêu khiển khả trình PLC còn rất nhiều hạn chế trong việc hỗ trợ các hàm tính toán và khả năng đáp ứng thời gian thực của nó trong quá trình tính toán. Do đó, trong những trường hợp như vậy thì việc tính toán gân đúng được xem là một giải pháp đơn giản, tương đối tin cậy và có thể mang lại kết quả khả thi nhất. Có rất nhiều phương pháp tính toán gần đúng, ở đây nhóm dé tai đưa ra hai phương án: phương pháp nội suy tuyến tính và phương pháp tìm đa thức nội suy sử dụng phần mềm Matlab dựa trên bảng giá trị các điểm lấy mẫu trên cơ sở thực nghiệm. Phương pháp nội suy tuyến tính Giả SỬ có hàm F(x) và đạo hàm của nó liên trục trong đoạn [a,b] du nho và đạo ham cap 1 và câp 2 của nó không đôi dâu trong đoạn đó thì khi đó với một giá tri bat ky ce[a,b] ta có thê tính gân đúng gia tri cua ham F tai diém c băng công thức: F(c) = F(a) † (c-a)*(F(b)-F(a))/(b-a) (6) Công thức (6) có thể minh họa dưới đồ thị hình 2 dưới đây: — Phương pháp nội suy tuyến tính coi gần đúng đường alb trùng với đường thăng ab.

Độ chính xác của phương pháp càng cao khi đoạn [a,b | chia càng nhỏ.4: Minh họa phương pháp nội suy tuyến tính 2. Tính toán độ mỡ cửa van cung theo phương pháp nội suy tuyến tính Theo bản kết cấu cửa van cung và cơ cấu chỉ thị độ mở cửa van thì biên độ chuyên động quay của cửa van cung xung quay gối quay O là 53°, giá trị góc mở a biến thiên từ -8°+ 45°. Thực hiện phép xoay theo chiều thuận chiều kim đồng hồ quanh điểm tâm là tâm của gối xoay với bước xoay là 3°ta sẽ có I8 điểm giá trị lay mẫu, và hiệu giá của 2 điểm liền kề là 3° .Trong khoảng 3° thì có thê coi xâp xi dây cung trùng với cung và có thể áp dụng phương pháp nội suy tuyến tính. Theo lý thuyết của phương pháp nội suy tuyến tính thì điểm chia càng nhiều thì kết quá tính toán càng chính xác, nhưng kéo theo nó là khối lượng tính toán sẽ lớn hơn.

Do đó, để thỏa mãn giữa độ chính xác của phép tính và khả năng đáp ứng của bộ điều khiển ta lấy 18 điểm chia. Tiến hành lấy kết quả thực nghiệm thu được trong từng phép quay ta được bảng giá trị các thông số dưới đây: Bảng 2.1: Bảng giá trị các thông số hệ thống nội suy tuyên tính i q[iJqmm) | g[i](mm) | a[il(degree) _ h[¡](mm) 1 0 8790 -8 0 2 184 8606 -5 612 3 369 8421 -2 1379 4 557 8233 1 2163 5 745 8045 4 2814 16 6 937 7853 7 3473 7 1129 7661 10 4137 8 1322 7468 13 4805 9 1517 7273 16 5475 10 1713 7077 19 6145 11 1912 6878 22 6813 12 2110 6680 25 7478 13 2307 6483 28 8137 14 2505 6285 31 8789 15 2703 6087 34 9432 16 2899 5891 37 10064 17 3097 5693 40 10683 18 3293 5497 43 11288 Trong đó: - ¡: Chỉ số thứ tự lần lấy mẫu - q’[i]: Độ dài của dây cáp tính từ đầu xy lanh đến tang quay, giá trị này được lây băng cách đo thực nghiệm trên bản vẽ ở lân quay thứ ¡ của cửa van cung quanh gôi quay của + q[ï] - độ dài của dây cáp được quân vào tang, giá trị này được tính thông qua giá trị q [1] theo công thức : ali] = g[I-al (7) Trong đó: - h[ï]: Độ mở cửa van tinh theo chiều cao so với phương nằm ngang ở cao trình 199,92, giá trị này được xác định thông băng cách đo thực nghiệm trên bản vẽ ở lân quay thứ 1 của cửa van cung. Khi đó, ứng với một giá trị q tại một thời điểm bất ky t, nao dé (gia trị này hoàn toàn xác định được tại một thời điểm bất kỳ theo phương trình(3)) trong đó q(,)e{ q[],q[rr1]] thì theo phương pháp nội suy tuyên tính ta sẽ tính được giá trị độ mở cửa h(t,) theo công thức: hứ,) = h[i]r(qŒ, )-q[])*@[ï+1]-h[il)/(a[ir1]-a[il) (8) 2. Tính toán độ mở cửa van cung theo phương pháp lập đa thức nội suy Dựa trên các số liệu thực nghiệm về mối quan hệ của q và h ta lập được mà ta thu được qua phép quay van cung quanh trục 0 với góc quay là 1 ta được bảng dữ liệu sau đây: Bang 2.