MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển vƣợt bậc của các ngành khoa học kỹ thuật trên thế giới, trong những năm gần đây các ngành khoa học kỹ thuật của nƣớc ta cũng có sự phát triển không ngừng. Một trong những ngành đang có phát triển rực rỡ là ngành Tự động hoá. Có thể nói Tự động hoá càng phát triển thì hiệu suất lao động ngày càng cao, chất lƣợng sản phẩm càng tốt, hàng hoá sản xuất ra càng có tính cạnh tranh cao, do vậy Tự động hoá là một trong những ngành nâng cao hiệu suất lao động cho xã hội nó thúc đẩy các ngành công nghiệp khác cùng phát triển nhƣ ngành công nghiệp sản xuất ôtô, sản xuất xi măng, sản xuất gạch ngói, công nghiệp dầu mỏ, khai khoáng, viễn thông, giao thông, tài nguyên nƣớc.vv, và là công cụ phục vụ đắc lực cho công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nƣớc. Công tác trong ngành Thuỷ lợi với mong muốn áp dụng một số thành tựu của ngành Tự động hoá vào ngành Thuỷ lợi trong lĩnh vực quản lý giám sát công trình thuỷ lợi.
Qua quá trình học tập nghiên cứu tại trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội tôi đã nắm bắt đƣợc một số kiến thức cơ bản về ngành Tự động hoá. Luận văn tốt nghiệp với luận văn “Thiết kế hệ thống SCADA cho quản lý vận hành công trình Thủy lợi” của tôi đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của thầy PGS.TS Bùi Quốc Khánh là kết quả của quá trình học tập nghiên cứu tại trƣờng Đại học bách khoa Hà Nội với sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô trong trƣờng và sự kết hợp các kiến thức, kinh nghiệm thực tế công tác đã học tại Viện khoa học Thủy Lợi. Qua đây tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Bùi Quốc Khánh, các thầy cô giáo trong bộ môn Tự động hoá XNCN, Khoa Điện, Viện đào tạo sau đại học, cùng toàn thể các thầy cô trong trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nôi, các đồng nghiệp và gia đình đã giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Lịch sử nghiên cứu Nƣớc là yếu tố quyết định đến sự tồn tại và phát triển môi trƣờng sống.
Nƣớc là một loại tài nguyên thiên nhiên quý giá và có hạn, là động lực chủ yếu chi phối mọi hoạt động dân sinh kinh tế của con ngƣời. Nƣớc đƣợc sử dụng rộng rãi trong 6 sản xuất nông nghiệp, thủy điện, giao thông vận tải, chăn nuôi, thuỷ sản v. Bởi vậy, tài nguyên nƣớc có giá trị kinh tế và đƣợc coi là một loại hàng hoá. Nƣớc là loại tài nguyên có thể tái tạo đƣợc và cần phải sử dụng một cách hợp lý để duy trì khả năng tái tạo của nó.
Trên hành tinh chúng ta nƣớc tồn tại dƣới những dạng khác nhau: Nƣớc trên trái đất, ngoài đại dƣơng, ở các sông suối, hồ ao, các hồ chứa nhân tạo, nƣớc ngầm, trong không khí, băng tuyết và các dạng liên kết khác. Verônatske, khối lƣợng nƣớc trên trái đất vào khoảng 1,46 tỷ km 3, trong đó nƣớc trong đại dƣơng chiếm khoảng 1,37 tỷ km 3. Sự phân bố nƣớc trên hành tinh chúng ta theo số liệu ƣớc tính của UNESCO năm 1978 nhƣ sau: Tổng lƣợng nƣớc trên trái đất vào khoảng 1.610 km3 trong đó nƣớc trong đại dƣơng vào khoảng 1. Nƣớc ngọt trên trái đất chiếm tỷ lệ rất nhỏ chỉ vào khoảng 2,5%.
Nƣớc ngọt phân bố ở nƣớc ngầm, nƣớc mặt, dạng băng tuyết và các dạng khác, trong đó lƣợng nƣớc ở dạng băng tuyết chiếm tỷ lệ cao nhất xấp xỉ 70%, nƣớc ngọt ở các tầng ngầm dƣới đất chiếm tỷ lệ vào khoảng 30,1%, trong khi đó nƣớc trong hệ thống sông suối chỉ chiếm khoảng 0,006% tổng lƣợng nƣớc ngọt trên trái đất, một tỷ lệ rất nhỏ. Hệ thống tuần hoàn nƣớc có thể mô tả nƣớc trên trái đất tồn tại trong một khoảng không gian gọi là thuỷ quyển. Nƣớc vận động trong thuỷ quyển qua những con đƣờng vô cùng phức tạp cấu tạo thành tuần hoàn nƣớc còn gọi là chu trình thuỷ văn. Nƣớc bốc hơi từ các đại dƣơng và lục địa trở thành một bộ phận của khí quyển.
Hơi nƣớc đƣợc vận chuyển vào bầu không khí, bốc lên cao cho đến khi chúng ngƣng kết và rơi trở lại mặt đất hoặc mặt biển. Lƣợng nƣớc rơi xuống mặt đất một phần bị giữ lại bởi cây cối, chảy tràn trên mặt đất thành dòng chảy trên sƣờn dốc, thấm xuống đất, chảy trong đất thành dòng chảy sát mặt đất và chảy vào các dòng sông thành dòng chảy mặt. Phần lớn lƣợng nƣớc bị giữ lại bởi thảm phủ thực vật và dòng chảy mặt sẽ quay trở lại bầu khí quyển qua con đƣờng bốc hơi và bốc thoát hơi. Lƣợng nƣớc ngấm trong đất có thể thấm sâu hơn xuống những lớp đất bên dƣới để cấp nƣớc cho các tầng nƣớc ngầm và sau đó xuất lộ thành các dòng suối hoặc chảy dần vào sông ngòi thành dòng chảy mặt và cuối cùng đổ ra biển hoặc bốc hơi vào khí quyển.
Có thể coi quá trình tuần hoàn 7 nƣớc là một hệ thống thuỷ văn, thực chất là quá trình chuyển từ mƣa sang dòng chảy với các thành phần là nƣớc rơi, bốc hơi, dòng chảy và các pha khác nhau của chu trình. Sự phân bố theo không gian rất không đều. Trên trái đất có vùng có lƣợng mƣa khá phong phú, nhƣng lại có những vùng khô hạn. Một trong những đặc thù quan trọng nữa là: Nguồn nƣớc có trữ lƣợng hàng năm không phải là vô tận, sự biến đổi của nó không vƣợt qua một giới hạn nào đó và không phụ thuộc vào mong muốn của con ngƣời.
Nƣớc thƣờng phân bố không đều theo không gian và thời gian, dẫn đến sự không phù hợp giữa tài nguyên nƣớc và yêu cầu sử dụng của con ngƣời. Tài nguyên nƣớc đƣợc đánh giá bởi ba đặc trƣng quan trọng: lƣợng, chất lƣợng và động thái của nó: Lƣợng nƣớc: tổng lƣợng nƣớc sinh ra trong một khoảng thời gian một năm hoặc một thời kỳ nào đó trong năm. Nó biểu thị mức độ phong phú của tài nguyên nƣớc trên một vùng lãnh thổ. Chất lƣợng nƣớc: bao gồm các đặc trƣng về hàm lƣợng của các chất hoà tan và không hoà tan trong nƣớc (có lợi hoặc có hại theo tiêu chuẩn sử dụng của đối tƣợng sử dụng nƣớc).
Động thái của nƣớc: đƣợc đánh giá bởi sự thay đổi của các đặc trƣng dòng chảy theo thời gian, sự trao đổi nƣớc giữa các khu vực chứa nƣớc, sự vận chuyển và quy luật chuyển động của nƣớc trong sông, sự chuyển động của nƣớc ngầm, các quá trình trao đổi chất hoà tan, truyền mặn v. Dƣới tác động tiêu cực của mƣa bão và dòng chảy sông ngòi thƣờng tạo ra các trận lũ lụt gây tổn thất không nhỏ cho đời sống kinh tế xã hội. Lũ lụt ở Việt Nam có những đặc điểm chính nhƣ sau: - Việt Nam là một trong những nƣớc nằm trong vùng nhiệt đới chịu tác động mạnh mẽ của bão và các hình thế thời tiết gây mƣa lớn, là nguyên nhân gây ra tình trạng lũ lụt nghiêm trọng cho vùng hạ du sông. - Hầu hết các sông lớn đều có cửa sông nằm trong lãnh thổ Việt Nam.
Thủy triều và sự diễn biến phức tạp ở vùng cửa sông làm tăng tính nghiêm trọng của lũ 8 lụt. - Đa số các sông suối có độ dốc lớn, lũ tập trung nhanh gây khó khăn cho công tác phòng tránh lũ. - Hầu hết khu vực dân cƣ đều nằm ở vùng trũng thƣờng xuyên bị úng lụt và bị lũ đe dọa. - Lũ quét thƣờng xuyên xảy ra gây thảm hoạ cho các khu dân cƣ thuộc trung du và miền núi.
Để làm giảm hậu quả do thiên tai gây ra là xây dựng các hệ thống cảnh báo, dự báo sớm tình hình, diễn biến thời tiết nhƣ hệ thống cảnh báo lũ quét sạt lở đất, cảnh báo sóng thần. Trong đó hệ SCADA cho quản lý vận hành công trình Thủy lợi là một trong các biện pháp tƣơng đối hiệu quả và tin cậy. Tuy hệ SCADA cho quản lý vận hành công trình Thủy lợi hoạt động tƣơng đối hiệu quả, song đây là một công nghệ mới nên việc sử dụng và vận hành trên hệ thống còn nhiều hạn chế do sự e ngại của ngƣời dùng, hơn nữa việc đầu tƣ đồng bộ hệ thống từ đầu mối đến hệ thống kênh cấp dƣới đòi hỏi chi phí lớn, trình độ vận hành cao. Đây cũng là một hạn chế để triển khai hệ SCADA vào các hệ thống thủy lợi hiện nay.
Do vậy không phát huy hết hiệu quả kinh tế của công trình thủy lợi. Ở các nƣớc phát triển, đo nƣớc là một công tác không thể thiếu đƣợc trong công tác quản lý hệ thống thuỷ lợi. Việc đo nƣớc phát triển theo hƣớng tự động hoá hoặc có thể theo dõi từ xa bằng các dạng đƣờng truyền khác nhau nhƣ: cáp quang, vô tuyến, mạng riêng. Với phƣơng hƣớng này sẽ nâng cao độ chính xác và hiệu quả của công tác giám sát quản lý công trình thủy lợi.
Hiện nay Trung tâm Công nghệ phần mềm Thuỷ lợi đã nghiên cứu thành công công nghệ đồng bộ điều khiển và truyền số liệu tự động từ xa phục vụ Hiện đại hoá công tác quản lý hệ thống công trình thuỷ lợi là một hƣớng đi tích cực và mang ý nghĩa kinh tế và kỹ thuật thiết thực. Bƣớc đầu công nghệ này đã đƣợc ứng dụng đƣợc cho một số hệ thống công trình thuỷ lợi có tác dụng giúp từng bƣớc hiện đại hoá công tác quản lý và nâng cáo hiệu quả khai thác hệ thống thuỷ lợi. Phần mềm Hệ thống giám sát Hệ thống công trình thuỷ lợi đã đƣợc Trung tâm 9 công nghệ phần mềm lập, đã giới thiệu và ứng dụng phục vụ công tác quản lý một số hệ thống công trình thuỷ lợi (Liễn Sơn - Vĩnh Phúc, Bắc Sông Mã - Thanh Hoá, Đồng Cam - Phú Yên, Ấp Bắc - Nam Hồng - Hà Nội, Cống Lân - Thái Bình, Các hệ thống đập đầu mối tại Đăklắk, Lâm Đồng), bƣớc đầu tạo điều kiện cho các công ty cải tiến công tác quản lý khai thác công trình thuỷ lợi. Tại các nƣớc phát triển nhƣ Nhật, Úc, Hàn Quốc,.
việc ứng dụng công nghệ SCADA trong công tác quản lý khai thác các công trình thuỷ lợi là khá phổ biến. Tuy nhiên ở nƣớc ta việc ứng dụng công nghệ này còn rất hạn chế. Để công nghệ SCADA có thể áp dụng rộng rãi trên các hệ thống công trình thuỷ lợi cần phải nghiên cứu để công hệ SCADA có thể phù hợp với điều kiện khí hậu, trình độ quản lý, kinh tế của Việt Nam góp phần nâng cao hiệu quả khai thác và sử dụng các công trình thủy lợi.